基于MIPS架構(gòu)的RISC微處理器RM7000A

1、基于基于 MIPSMIPS 架構(gòu)的架構(gòu)的 RISCRISC 微處理器微處理器 RM7000ARM7000A 摘要：摘要：概要介紹基于 MIPS 指令集的 RM7000A 微處理器的大容量片內(nèi)緩存、超標(biāo)量流水線、指令雙發(fā)射、大量寄存器組等主要特性，并對其兩種應(yīng)用方案進(jìn)行探討。 ; mso-hansi-font-family: Times New Roman 關(guān)關(guān)鍵詞：鍵詞：RM7000A 微處理器 MIPS 架構(gòu) 引引 言言 在眾多類型的 RISC CPU 體系中，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是相當(dāng)成功的一種。自

2、從 1983 年 John Hennessy 在斯坦福大學(xué)成功地完成了第一個(gè)采用 RISC 理念的 MIPS 微處理器以來，基于 MIPS 構(gòu)架的 CPU 在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Cisco 的路由器，IBM 的網(wǎng)絡(luò)彩色打印機(jī)，HP 的 4000、5000、8000、9000 系列激光打印機(jī)及掃描儀，Sony 的 Playstation 和 Playstation 2 游戲機(jī)等等，都是應(yīng)用了實(shí)現(xiàn)不同 MIPS 指令集的微處理器的產(chǎn)品。 本身不生產(chǎn)微處理器，它只設(shè)計(jì)高性能工業(yè)級的32 位和 64 位 CPU 的結(jié)構(gòu)體系，并且向其它半導(dǎo)體公司提供使用其內(nèi)核（IP）的授權(quán)，用于

3、生產(chǎn)基于 MIPS 而又各具特色的微處理器。據(jù) MIPS 公司網(wǎng)站介紹，現(xiàn)在已有超過 50 家公司申請了授權(quán)，其中不乏 IT 界著名的大企業(yè)，如：AMD、ATI、TI、NEC、Toshiba、Philips、PMC-Sierra、IDT、Quicklogic、Marvell 等。 1 RM7000A1 RM7000A 概述概述 是 PMC-Sierra 公司 RM7000 系列微處理器的一種，使用 CMOS 0.18m 藝制造而成，內(nèi)含 2 個(gè)獨(dú)立的 64 位整型單元和 1 個(gè) 64 位浮點(diǎn)單元；片內(nèi)集成了主緩存和二級緩存以及外部擴(kuò)展緩存控制器（最高支持 8MB 三級緩存）；具有 1 個(gè)時(shí)鐘周

4、期發(fā)射 2 條指令的功能；支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)?。≒refetch）；最高工作頻率可達(dá) 400MHz；可寬溫工作，350MHz 工業(yè)級處理器工作溫度為40+85。 該微處理器有以下主要特性。 (1)片內(nèi)集成大容量主緩存和二級緩存 主緩存包括 16KB 指令緩存和 16KB 數(shù)據(jù)緩存。指緩和數(shù)緩都擁有各自的 64位讀通道和 128 位寫通道，并且允許指緩和數(shù)緩?fù)瑫r(shí)被訪問。在 400MHz 時(shí)，主緩可以給整型單元和浮點(diǎn)型單元提供總計(jì)高達(dá) 6.4GB/s 的帶寬。256KB 的二級緩存擁有一個(gè) 64 位的讀/寫共用通道，只有在訪問主緩存發(fā)生未命中的情況下才會(huì)使用到。 主緩存和二級緩存均采用 4 路組相聯(lián)。緩存

5、線長 32 字節(jié)，均為非阻塞式緩存（non-blocking cache），即在緩存訪問產(chǎn)生未命中（cache miss），且這個(gè)未命中沒有被消除的情況下，處理器無需停頓等待，可以繼續(xù)進(jìn)行緩存訪問。RM7000A 允許最多有兩個(gè)未命中時(shí)仍可訪問緩存。只有在下面兩種情況下，微處理器才會(huì)產(chǎn)生停頓：一是在前兩個(gè)未命中還沒消除，指令總線上又出現(xiàn)了對緩存的存取指令；二是產(chǎn)生了兩個(gè)未命中，而隨后的指令要從前面一個(gè)引起未命中的指令處獲取數(shù)據(jù)才能繼續(xù)執(zhí)行。 (2)指令雙發(fā)射機(jī)制（dual issue mechanism） 的指令分為四種類型：整數(shù)型、浮點(diǎn)型、分支轉(zhuǎn)移（branch）和存/取（load/stor

6、e）。處理器整型部件的超標(biāo)量分發(fā)單元含有兩個(gè)獨(dú)立的流水線：M-pipe（memory）和 F-pipe（function）。其中，F(xiàn)-pipe 處理整數(shù)型、分支轉(zhuǎn)移和浮點(diǎn)操作，如加、減、乘、除等；M-pipe 負(fù)責(zé)整數(shù)型、存/取等操作，同時(shí)也進(jìn)行一些浮點(diǎn)數(shù)在寄存器間的移動(dòng)。指令雙發(fā)射框圖如圖 1 所示。 如果每過一個(gè)時(shí)鐘周期，每條流水線流出一條指令，在外部看來就有兩條指令同時(shí)被執(zhí)行。但是，在處理器中并不是總能做到雙發(fā)射的，這跟具體的指令組合有關(guān)，比如：當(dāng)一個(gè)指令要處理控制寄存器時(shí)，就不能和其它的指令同時(shí)發(fā)射。 (3)超標(biāo)量流水線（superscalar pipeline） 包含一條 5 階超標(biāo)

7、量指令流水線（度 m=2），供 M-pipe 和 F-pipe使用。每條指令被劃分為 5 個(gè)子過程：I 為取指令，R 為取寄存器數(shù)，A 為執(zhí)行，D 為取數(shù)據(jù)，W 為寫回，如圖 2 所示。 配合指令的雙發(fā)射機(jī)制，每過一拍，流水線都要流入兩條新的指令。在滿負(fù)荷的情況下，可以有 10 條指令在流水線不同的部件上同時(shí)運(yùn)行，相當(dāng)于提高了工作頻率。 在 RM7000A 中，實(shí)際上還存在一個(gè) 7 階流水線單獨(dú)處理浮點(diǎn)操作，不過，這個(gè)流水線對用戶來說是完全透明的。 (4)寄存器組（register files） 含有眾多的寄存器。 整型操作寄存器組。位于整型單元中，包括 32 個(gè) 64 位的通用寄存器（GPR

8、），2 個(gè)專用于整型乘、除運(yùn)算的寄存器 Hi 和 Lo，1 個(gè)程序計(jì)數(shù)器 PC（對用戶透明）。其中通用寄存器的 r0 被硬連接為 0。它可以作為目的寄存器存放指令以后會(huì)舍棄的暫時(shí)結(jié)果，也可以根據(jù)需要為指令提供 0 作為操作數(shù)。 浮點(diǎn)操作寄存器組。包含 32 個(gè) 64 位的浮點(diǎn)通用寄存器（FGR）和 32 個(gè)32 位控制寄存器。 系統(tǒng)控制寄存器組（CP0）。用于內(nèi)存管理調(diào)度、地址轉(zhuǎn)換、異常處理等。 (5)集成、高效的內(nèi)存管理單元 為快速將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，RM7000A 使用一個(gè)大容量的全相聯(lián)TLB（Translation Lookaside Buffer，如圖 3 所示）來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

9、這個(gè)TLB 被指令和數(shù)據(jù)共用，稱為 JTLB（Joint TLB）；可以配置成 48 對或 64 對入口，分別映射 96 頁或 128 頁的虛擬地址。頁面的大小可配置，從小到大依次為4K、16K、64K、256K、1M、4M、16M。當(dāng)發(fā)生 TLB 未命中時(shí)，RM7000A 采用的替換算法主要是隨機(jī)替換，以簡化硬件設(shè)計(jì)。同時(shí) 也提供鎖定特定地址機(jī)制，以便操作系統(tǒng)為提高性能而讓一些頁面持續(xù)被映射。 ASIDAddress Space Identifier，虛擬空間標(biāo)識符，表示內(nèi)核態(tài)（kernel）、管態(tài)（supervisor）、用戶態(tài)（user）三種虛擬空間。 GGlobal，每個(gè) TLB 入口

10、都有的標(biāo)識符。 (6)指令格式及尋址方式 需要注意的一點(diǎn)是：盡管 RM7000A 是 64 位的微處理器，但它的指令長度都是固定的 32 位。 是一種典型的寄存器型（Register-Register）微處理器，即除了load/store 指令外，其它的指令不能直接訪問內(nèi)存。這樣的好處顯而易見：寄存器的訪問速度比存儲(chǔ)器快得多，寄存器存儲(chǔ)使得編譯器的效率提高，于是程序的執(zhí)行速度加快；另外，表示寄存器的位數(shù)比表示內(nèi)存單元的位數(shù)要少，從而可以改善指令密度。 類的指令可以用三種形式表示。 MIPS 構(gòu)架支持兩種尋址方式。 立即數(shù)尋址（immediate）。例如：Add R1,#10，這里#10 的代表

11、常數(shù)10，指令含義是 RegsR1egsR1+10。 位移尋址（displacement）。例如：Add R1,10（R2），指令含義是RegsR1egsR1+Mem10+Regs2。 對操作數(shù)稍做改變，可以得到另外兩種尋址方式。 Add R1,（R2） RegsR1RegsR1+MemRegsR2 寄存器 R2 存放的只是一個(gè)地址，這個(gè)地址的內(nèi)容才是要取的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于寄存器間接尋址。 Add R1,10 RegsR1RegsR1+Mem10 此時(shí)第二個(gè)寄存器必須是 r0，借助于 r0（如前所述，r0 被硬接位 0）提供的 0，就得到了直接尋址方式。 因此，實(shí)際上微處理器有四種尋址方式可用，

12、提高了編程的靈活性。 (7)數(shù)據(jù)類型 體系對于對齊（align）有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求，指令必須 32 位對齊；超過一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)必須按規(guī)則對齊： 半字的邊界要與偶數(shù)對齊； 字的邊界要與 mod 4=0 的字節(jié)對齊； 雙字的邊界要與 mod 8=0 的字節(jié)對齊。 如圖 4 所示，是數(shù)據(jù)對齊示意圖。采用這種方式對齊可以簡化硬件判斷、控制部分的設(shè)計(jì)，節(jié)省芯片空間，也有利于加快程序運(yùn)行速度。 2 2 應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)探討應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)探討 以 RM7000A 為基礎(chǔ)，配合不同的外圍器件，可以構(gòu)成多種應(yīng)用形式。 (1)典型應(yīng)用 圖 5 所示是一種較為簡單的應(yīng)用方式，特點(diǎn)是器件少、可靠性好、整個(gè)系統(tǒng)所占空間很小，適合

13、于空間受到限制的領(lǐng)域。因?yàn)樾枰R別和驅(qū)動(dòng)的設(shè)備不多，引導(dǎo)和應(yīng)用程序都相對簡單；通過 Dual UART 接口可以和主計(jì)算機(jī)通信，并且在主計(jì)算機(jī)的超級終端里顯示本系統(tǒng)運(yùn)行的信息，如圖 6 所示。 具體應(yīng)用： 可以作為單獨(dú)的電腦板，配以適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)，構(gòu)成一個(gè)小型的高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于完成比較簡單且單一的任務(wù)； 可以根據(jù)應(yīng)用的要求，增加總線的控制芯片和接口，作為一個(gè)總線上的CPU 控制板（比如：PCI 總線、CompactPCI 總線），配合傳感器或其它板卡如AD/DA 板、DSP 通信板等，進(jìn)行測試、高速數(shù)據(jù)采集、大量的圖形圖像處理等工作； 用于其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，如大型的路由器、交換機(jī)等。 (2)擴(kuò)展應(yīng)用 上述應(yīng)用中，為減小體積，存儲(chǔ)容量受到了限制，也沒有提供類似鍵盤鼠標(biāo)的對外接口。而人們已經(jīng)習(xí)慣了 PC 的使用，總是希望能夠以比較熟悉的方式來操作其它系統(tǒng)。對上述應(yīng)用做適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，就可以達(dá)到近似于 PC 的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用框圖如圖 7 所示。 通過增加南橋、超級 I/O 等芯片，就可以獲得類似于 PC 結(jié)構(gòu)中的各種接口。具體應(yīng)用如下： 作為開發(fā)板，測試、移植在 MIP