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Computer Engineering andApplieations计算机工程与应用
可扩展 32位微处理器指令多发射技术的研究
王琦瑛 ,余 宁梅 ,路 伟
WANG Qiying,YU Ningmei,LU Wei
西安理工大学 自动化与信息工程学院,西安 7 1 0048
School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 7 1 0048,China
WANG Qiying,YU Ningmei,LU W ei.Research of scalable 32 bit micr0pr0cessor for multiple instruction launch technol-
ogy.Computer Engineering and Applications,2011,47(27):69—73.
Abstract: Based on analysis of the 32 bit M IPS architecture assembly line.this paper designs an instruction issue high-densi-
ty,low bubble,high throughput multi—issue structure,combined with its specific optimization strategies,the structure for the
8-issue function effectively improves the issue effi ciency and system frequency.And at this platform,it can be equipped with
the system structure of issue mode adaptive configuration.The design proposed by this paper is implemented in the extended
instruction m icroprocessor,frequency of 300 M Hz,to achieve the desired goals.
Key words: multi-issue;adaptive configuration;extensible instructions
摘 要 :在研究324 ̄MIPS架构流水线的基础上,设计出一种指令发射 高密度、低气泡,高吞吐的多发射结构,结合其特定的优化
策略,该结构实现指令8发射的功能,有效提 高指令发射效率,提高系统主频。并以此平台,实现具有发射模式自适应可配的结构
体系。整个设计在可扩展指令微处理器中进行应用实现,工作频率达300 MHz,达到预期 目标。
关键词 :指令多发射;自适应可配;指令可扩展
DOI:10.3778 ̄.issn.1002—8331.2011.27.019 文章编号:1002—8331(2011)27.0069.05 文献标识码:A 中图分类 ̄:j:TP33
1 引言
可扩展指令的微处理器不仅具备微处理器的一般功能和
需求 ,嵌入的加速部件更突出强化数据处理单元的特征和特
定应用需求 。结合了加速部件的“专设专用”特性 ,使得微处
理器具有指令执行针对性强,效率高,满足应用场景的多样化
需求,提高芯片应用的灵活性 ,因此将上述两大特征合二为一
的设计思想及其实现模式具有远大的前瞻意义。
为了进一步提高微处理器每个时钟周期内执行的指令数
(IPC),多发射技术便应运而生。通过配置多个功能部件 ,增
强并行执行程序的能力和提高吞吐率 ,可使IPC>I。本文的研
究重点集中在超标量结构的设计来提高指令并行度以及发射
模式多样化来提高与应用场合匹配度”1。
2 可扩展指令微处理器体系结构
结构框架如图 1所示。主要包括以下功能部件 :IF取指单
元 、ID译码单元、RD读入单元、IQ分派缓存、EX功能执行单
元、定序缓存 、WB写回单元。其中读入单元 、分派缓存 、定序
缓存和写回模块属于处理器中指令发射模块。虽然在微处理
器的设计领域强调了芯片的面积 、功耗和速度等诸多因素的
折中,多数微处理器采用了单发射的结构,但随着微处理器应
用的领域的扩展 ,仍然不能忽视对其性能的改进。多发射技
术可以同时发射多条指令 ,克服单发射流水线每周期只能发
射一条指令的限制,增强并行执行程序的能力,是提高处理器
运算速度的有效方法。
3 指令发射可控模块体系结构
3.1 指令发射模块体系框架
指令发射可控模块是一种基于实际应用需求反向构架
模块逻辑 ,自适应调整指令运算逻辑量 ,在面积不变的基础
上降低功耗 ,缩短延迟 ,以达到最佳应用匹配,其框架模型如
图 2所示。主要包括以下功能模块 :指令缓存模块 、数据预
取模块、指令发射模块 、数据写回模块。其中指令接收模块 ,
即ins queue分派缓存 ,本设计 中当拍指令在满足缓存区有 8
个空间 ,接 收使 能 信号 才有 效 ,为此 指令 分 派缓 存 区的存 储
空问应为 8的倍数 1。指令缓存队列定位同时可容纳两拍的
数据,即 16条指令。当拍选出待发指令并满足可发条件 ,根
据当前执行单元的状态选择进入相应的功能执行单元还是
数据搁置等待 ,待下拍重新发送。Wb待定序缓存中,满足数
据写回条件 ,则将数据写回到寄存器备用 ,否则数据将搁置
写回 。
在本文中,指令发射和数据写回模块是两个重点体现动
态自适应设计的模块 ,根据 m需求制定,将该需求下功能以外
的逻辑 自动平屏蔽,降低功耗,缩短延迟。
基金项目:陕西省重点学科建设专项资金(No.107080903)。
作者简介 :王琦瑛(1984一 ),男,硕士研究生,主要研究方向 :超大规模集成电路设计;余宁梅,博士生导师。E-mail:jsyzwqy@163
. COm
收稿 日期 :2011-03—24;修回 日期 :2011-05—31
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