32位高性能嵌入式CPU中Load Aligner 模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

一般的，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l(wèi)oad 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)。

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l(wèi)b、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)bit<7:0>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)mask<3:0>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。
以上是load aligner模塊數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計(jì)。它還需要有控制模塊來(lái)產(chǎn)生上述控制信號(hào)，此外由于任何一個(gè)控制信號(hào)都要驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)通道子模塊中的32個(gè)cell，所以還要有一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)使控制信號(hào)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。由以上分析，整個(gè)load aligner模塊的框圖如圖2所示。其中，控制模塊采用自動(dòng)布局布線生成，而驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)通道模塊均采用全定制設(shè)計(jì)。
功能驗(yàn)證

對(duì)此模塊的rtl代碼和所設(shè)計(jì)的電路分別進(jìn)行了功能驗(yàn)證。設(shè)從dcache取出的32位數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制表示為aabbccdd，對(duì)表3中的所有指令進(jìn)行測(cè)試。圖3所示的波形圖就是依次測(cè)試指令lw、lh00、lhu00、lh10、lhu10、lb00、lbu00、lb01、lbu01、lb10等的結(jié)果?？梢钥闯觯Y(jié)果與表3完全吻合。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的電路滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)所要求的所有指令。 電路仿真

根據(jù)圖1可以看出，從符號(hào)選擇信號(hào)sandz<4:0>到輸出的路徑為最長(zhǎng)路徑，我們選取這條路徑進(jìn)行仿真，并考慮在0.18μm時(shí)線電阻電容對(duì)時(shí)延的影響，用hspice確定了所需器件的尺寸。仿真結(jié)果如圖4所示。上升時(shí)時(shí)延為0.52ns，下降時(shí)時(shí)延為0.47ns，均滿足小于0.7ns 的要求。 結(jié)論

在cpu中，load aligner模塊是dcache和數(shù)據(jù)通道之間的接口。從dcache中取出的數(shù)據(jù)只有通過(guò)load aligner模塊重新排序，才能進(jìn)入cpu的數(shù)據(jù)通道。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了自上而下的設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了所有的指令，在時(shí)延上也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。