RISC CPU對轉(zhuǎn)移指令的處理及仿真分析
1 引言
在RISC CPU的設(shè)計(jì)當(dāng)中，轉(zhuǎn)移指令的處理對處理器的性能的影響非常關(guān)鍵。轉(zhuǎn)移指令決定著程序的執(zhí)行順序，在程序中的使用頻率很高。RISC CPU中程序是以流水線的方式執(zhí)行的，當(dāng)程序順序執(zhí)行時(shí)，下一條指令的地址與前一條指令的內(nèi)容無關(guān) ；而在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行結(jié)果來確定下一條指令的地址，也就是說下一條指令的地址在轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行之前是未知的，造成流水線的不連貫，影響了CPU的效率。
轉(zhuǎn)移指令處理的方法很多，可分為預(yù)測法和非預(yù)測法，預(yù)測法又包含靜態(tài)預(yù)測和動態(tài)預(yù)測，靜態(tài)預(yù)測如總預(yù)測跳轉(zhuǎn)、正向不跳轉(zhuǎn)反向跳轉(zhuǎn)，動態(tài)預(yù)測如2比特計(jì)數(shù)器(2BC) 、BTC；非預(yù)測法如延時(shí)跳轉(zhuǎn)等[1]。這些基本方法合理組合之后可以得到很好的效果。
本文介紹的RISC CPU對轉(zhuǎn)移指令的處理方法，為5級流水線作業(yè)，分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫，對轉(zhuǎn)移指令的處理在取指級和譯碼級完成；譯碼級給出轉(zhuǎn)移指令所包含的詳細(xì)信息，取指級包含有地址計(jì)算單元，轉(zhuǎn)移目標(biāo)Cache (BTC)，跳轉(zhuǎn)判斷單元等。對轉(zhuǎn)移指令的處理使用了延時(shí)跳轉(zhuǎn)、2BC以及BTC方法。
2 轉(zhuǎn)移指令的原理
該RISC CPU的指令集中包含有條件轉(zhuǎn)移指令和非條件轉(zhuǎn)移指令。所有的轉(zhuǎn)移指令均使用延時(shí)轉(zhuǎn)移，每條轉(zhuǎn)移指令后面跟隨一條延時(shí)槽指令；采用2BC預(yù)測條件轉(zhuǎn)移是否跳轉(zhuǎn)，而BTC則保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)為固定地址的轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行后的信息。以下分別介紹在該RISC CPU設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)移指令的設(shè)計(jì)以及延時(shí)轉(zhuǎn)移、BTC、2BC的具體實(shí)現(xiàn)方法。
2.1 轉(zhuǎn)移指令類型及格式
該RISC CPU的指令集中包含條件轉(zhuǎn)移指令（BCC）和非條件轉(zhuǎn)移指令（CALL和RET），其編碼格式為圖1所示。CALL指令包含2位的操作碼和30位的絕對地址。BCC指令包含8位操作碼， 4位條件碼(Condition Code)，19位偏移量以及1位用來區(qū)分指令是否帶A參數(shù)(即ANNUL操作)。所有的BCC指令使用相同的操作碼，不同的BCC指令用條件碼來區(qū)分，共有16類BCC指令；偏移量為帶符號數(shù)，在低位用00擴(kuò)展后可以對±220的相對地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個(gè)5位的寄存器地址。
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2.2 延時(shí)轉(zhuǎn)移
在該RISC CPU中，由于轉(zhuǎn)移指令只有在譯碼級才被識別，跳轉(zhuǎn)與否在譯碼級才能決定，因此在取下一條指令之前必須等待一個(gè)時(shí)鐘周期。為了減少流水線中的氣泡，緊跟轉(zhuǎn)移指令后面插一條與跳轉(zhuǎn)不相關(guān)的指令，即延時(shí)槽指令，不管跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生，該指令都執(zhí)行。延時(shí)槽指令的插入由編譯器完成，當(dāng)編譯器找不出這樣的指令時(shí)，就插一條NOP指令?？紤]到減輕編譯器的難度，我們也采用了帶 A參數(shù)的轉(zhuǎn)移：當(dāng)指令帶有A參數(shù)時(shí)，延時(shí)槽指令從轉(zhuǎn)移目標(biāo)程序中取出，因此轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)，延時(shí)槽指令執(zhí)行，而轉(zhuǎn)移不發(fā)生時(shí)，則禁止延時(shí)槽指令進(jìn)入譯碼級。因一般而言非條件轉(zhuǎn)移指令出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)低于條件轉(zhuǎn)移指令出現(xiàn)的頻率，非條件轉(zhuǎn)移指令的延時(shí)槽指令相對來說容易找到，所以非條件轉(zhuǎn)移指令不采用A參數(shù)選項(xiàng)，而條件轉(zhuǎn)移指令采用A參數(shù)選項(xiàng)。
2.3 2BC與BTC的設(shè)計(jì)
2BC與BTC對提高轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行效率起重要的作用。在RISC CPU中，轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次后，有很大的概率會執(zhí)行更多次。對于轉(zhuǎn)移目標(biāo)為固定地址的轉(zhuǎn)移指令（BCC和CALL），在其第一次執(zhí)行時(shí)使用BTC存儲相關(guān)的信息，當(dāng)再次執(zhí)行時(shí)，直接讀出這些信息，控制程序的執(zhí)行順序，而不需要轉(zhuǎn)移指令本身進(jìn)流水線。這可大大提高效率，但對于轉(zhuǎn)移目標(biāo)不確定的間接轉(zhuǎn)移指令（如RET），BTC是無效的。另外，條件轉(zhuǎn)移指令（BCC）是否跳轉(zhuǎn)也是不確定的，本設(shè)計(jì)中采用2BC進(jìn)行預(yù)測。
BTC為全相聯(lián)Cache，總共有16個(gè)單元，每個(gè)單元包含的信息有：TAG存儲執(zhí)行過的轉(zhuǎn)移指令的地址、DI存儲延時(shí)槽指令、CC存儲條件碼、TP 存儲轉(zhuǎn)移指令類型、AN存儲A參數(shù)攜帶標(biāo)志，HI存儲轉(zhuǎn)移執(zhí)行情況的歷史記錄，即2BC，VI指示行數(shù)據(jù)是否有效。BTC包含BTC存儲、BTC命中以及BTC檢查三種工作任務(wù)。以下分別介紹2BC以及每種任務(wù)下BTC的工作情況?！?
2.3.1 2BC的作用及工作原理
因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次之后，轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址、延時(shí)槽指令都保存在BTC中了，當(dāng)該指令再次執(zhí)行時(shí)，這些信息就直接從Cache讀出，因此在取指級就可以得到跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址和延時(shí)槽指令。對于非條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)總是執(zhí)行，因此BTC命中時(shí)就可以直接決定下一條指令的地址為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，而當(dāng)前周期DI被送到指令總線上；但對于條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)與否是根據(jù)條件碼和ALU的標(biāo)志位來決定的。如果轉(zhuǎn)移指令前面一條指令的執(zhí)行結(jié)果改變標(biāo)志位，而當(dāng)BTC命中時(shí)該指令還在譯碼級，則跳轉(zhuǎn)與否需要等待一個(gè)時(shí)鐘周期才能決定。為了避免因?yàn)榈却斐闪魉€的停頓，采用2BC當(dāng)前的狀態(tài)預(yù)測跳轉(zhuǎn)是否執(zhí)行，在接下來的時(shí)鐘周期，標(biāo)志位有效之后，再檢查預(yù)測是否正確，如果不正確，就進(jìn)行更正。當(dāng)預(yù)測準(zhǔn)確時(shí)，采用2BC 與BTC可以使轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間縮短一個(gè)周期。即使預(yù)測不準(zhǔn)確，與不采用預(yù)測相比也不會有損失。2BC的工作原理如圖2所示，初始值為Nx（第一次不跳轉(zhuǎn)執(zhí)行）或Tx(第一次跳轉(zhuǎn)執(zhí)行)，t表示跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，n表示跳轉(zhuǎn)不執(zhí)行。當(dāng)HI為N或Nx時(shí)，預(yù)測跳轉(zhuǎn)不發(fā)生；當(dāng)HI為T或Tx時(shí)，預(yù)測跳轉(zhuǎn)發(fā)生。
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2.3.2 BTC存儲
當(dāng)轉(zhuǎn)移指令第一次執(zhí)行時(shí)，BTC在當(dāng)前時(shí)鐘啟動存儲任務(wù)，把該指令執(zhí)行的信息寫入對應(yīng)的單元中，對于BCC指令，確定2BC的初始狀態(tài)。同時(shí)也把該行的VI置為有效。BTC采用隨機(jī)替換策略確定數(shù)據(jù)入口：在復(fù)位或Cache清零之后，按順序填充Cache，如果BTC寫滿，則隨機(jī)選通一行進(jìn)行替換。
2.3.3 BTC命中
在取指周期開始時(shí)如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前取指地址包含在BTC的TAG中，并且對應(yīng)行的VI也有效，則認(rèn)為BTC命中，從而啟動命中任務(wù)：讀出命中行的數(shù)據(jù)，把DI送到指令總線，如果是CALL指令，轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址作為下一條指令的地址；如果是BCC 指令則需要判斷跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生：當(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)，根據(jù)條件碼與標(biāo)志位判斷，否則根據(jù)HI進(jìn)行預(yù)測，然后確定下一條指令的地址：跳轉(zhuǎn)時(shí)為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，不跳轉(zhuǎn)為PC+2。對于帶Ａ參數(shù)的BCC指令，在跳轉(zhuǎn)不執(zhí)行時(shí)，要禁止DI在下一時(shí)鐘進(jìn)入譯碼級。BTC命中的流程如圖3。
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2.3.4 BTC檢查
如果前一周期BTC命中，則在當(dāng)前周期開始時(shí)啟動BTC檢查任務(wù)；如果前一周期BTC是根據(jù)HI預(yù)測BCC的跳轉(zhuǎn)，那么在當(dāng)前時(shí)鐘標(biāo)志位有效后，要重新判斷跳轉(zhuǎn)決定是否正確，如果不正確就要進(jìn)行更正，給出正確的取指地址，請求在下一時(shí)鐘禁止譯碼級或執(zhí)行級。同時(shí)還要根據(jù)最終的跳轉(zhuǎn)情況和HI的更新算法更新HI。BTC檢查的流程圖如圖4。
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3 結(jié)論
整個(gè)RISC CPU用Verilog HDL語言進(jìn)行了描述，并針對標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，采用上述方法處理轉(zhuǎn)移指令可以明顯提高流水線的吞吐率。由于在轉(zhuǎn)移指令后面插入了延時(shí)槽指令，轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行與程序順序執(zhí)行時(shí)完全相同； BTC的使用雖然在硬件上增加了一些開銷，但使轉(zhuǎn)移指令再次執(zhí)行時(shí)基本不占用流水線資源，大大提高了CPU的效率
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