基于32位CPU中Load Aligner模塊數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在CPU中,訪問(wèn)寄存器比訪問(wèn)主存速度要快。所以為了減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器而花的時(shí)間或延遲,MIPS4KC處理器采用了Load/Store設(shè)計(jì)。在CPU芯片上有許多寄存器,所有的操作都由存儲(chǔ)在寄存器里的操作數(shù)來(lái)完成,而主存只有通過(guò)Load和Store指令來(lái)訪問(wèn)。這樣做不僅可以減少訪問(wèn)主存的次數(shù),有利于降低對(duì)主存儲(chǔ)器容量的要求,而且可以精簡(jiǎn)指令集,有利于編譯人員優(yōu)化寄存器分配。Load Aligner就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DCACHE)和數(shù)據(jù)通道之間的接口。所以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的Load Aligner對(duì)提高CPU的整體性能是非常重要的。本文介紹了在一款32位CPU中Load Aligner模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),其中主要是數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/149270.htm設(shè)計(jì)目標(biāo)
本設(shè)計(jì)中,Load Aligner模塊要實(shí)現(xiàn)的指令有LB、LBU、LH、LHU、LW、LWL、LWR。CPU通過(guò)這些指令把從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出來(lái)的數(shù)據(jù)重新排序,然后放進(jìn)寄存器堆RF中,進(jìn)入CPU的數(shù)據(jù)通道。表1是對(duì)這些指令的介紹。
如果把從DCACHE中取出的一個(gè)32位的字表示成4字節(jié):A、B、C、D,如表2所示。
31-24/ 23-16/ 15-18/ 7-0
A / B / C / D
那么經(jīng)過(guò)上述指令操作后,這個(gè)字被重新排列的結(jié)果(即Load Aligner模塊的輸出,也用4字節(jié)來(lái)表示)見(jiàn)表3。
表3中,s表示符號(hào)擴(kuò)展,*表示這個(gè)字節(jié)上的寄存器中的數(shù)保持不變。不過(guò)在Load Aligner模塊,先將這些字節(jié)置0,在寄存器堆模塊再控制這些字節(jié)是否直接寫(xiě)進(jìn)寄存器。
以上是Load Aligner模塊要實(shí)現(xiàn)的指令目標(biāo),另外由于此模塊是CPU關(guān)鍵路徑的一部分,因此數(shù)據(jù)通道部分最長(zhǎng)時(shí)延不能超過(guò)0.7ns。
邏輯設(shè)計(jì)
分析比較經(jīng)過(guò)上述指令后Load Aligner模塊的輸入輸出變化可以看出:輸入字的每一字節(jié)經(jīng)過(guò)Load Aligner模塊后可以在輸出字的任意字節(jié)位置上。換言之,輸出字的每一字節(jié)都可以有A、B、C、D四種情況。所以需要一個(gè)8位的控制信號(hào)Bit7:0>來(lái)控制四個(gè)四選一的數(shù)據(jù)選擇器,稱為字節(jié)組合模塊,來(lái)獲得所需要的字節(jié)組合。不過(guò),經(jīng)過(guò)這個(gè)字節(jié)組合模塊選出來(lái)的4字節(jié)并不全是所需要的,還需要去掉冗余的字節(jié)或者進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展。因此需要有能夠產(chǎn)生符號(hào)擴(kuò)展或者0擴(kuò)展的模塊稱為符號(hào)產(chǎn)生模塊,然后把它的輸出和一個(gè)4位的控制信號(hào)Mask3:0>一起控制一組二選一數(shù)據(jù)選擇器,稱為輸出模塊,來(lái)獲得最后的排序結(jié)果。邏輯實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖1。
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