基于MIPS架構(gòu)的RISC微處理器RM7000A

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。 關(guān)鍵詞：RM7000A 微處理器 MIPS架構(gòu) 引 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。

MIPS Technologies Inc本身不生產(chǎn)微處理器，它只設(shè)計(jì)高性能工業(yè)級(jí)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 RM7000A概述 RM7000A是PMC-Sierra公司RM7000系列微處理器的一種，使用CMOS 0.18μm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(jí)緩存以及外部擴(kuò)展緩存控制器(最高支持8MB三級(jí)緩存);具有1個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射2條指令的功能;支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)取(Prefetch);最高工作頻率可達(dá)400MHz;可寬溫工作，350MHz工業(yè)級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)緩存均采用4路組相聯(lián)。緩存線長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) RM7000A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/store)。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)

RM7000A包含一條5階超標(biāo)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) RM7000A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)，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)。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。 ASID——Address Space Identifier，虛擬空間標(biāo)識(shí)符，表示內(nèi)核態(tài)(kernel)、管態(tài)(supervisor)、用戶態(tài)(user)三種虛擬空間。 G——Global，每個(gè)TLB入口都有的標(biāo)識(shí)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。 RM7000A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。 MIPS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的代表常數(shù)10，指令含義是Regs[R1]←egs[R1]+10。 ◆ 位移尋址(displacement)。例如：Add R1,10(R2)，指令含義是Regs[R1]←egs[R1]+Mem[10+Regs[2]]。 對操作數(shù)稍做改變，可以得到另外兩種尋址方式。 ◆ Add R1,(R2) Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] 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 Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[10] 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，提高了編程的靈活性。 (7)數(shù)據(jù)類型 MIPS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 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，適合于空間受到限制的領(lǐng)域。因?yàn)樾枰R(shí)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(jí)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： ① 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); ② 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; ③ 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(jí)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： ① 作為開發(fā)板，測試、移植在MIPS系統(tǒng)上運(yùn)行的不同操作系統(tǒng)，開發(fā)調(diào)試基于MIPS的各種應(yīng)用軟件; ② 作為一個(gè)完整的系統(tǒng)構(gòu)成便攜式電腦; ③ 利用Dual UART的顯示，或者擴(kuò)展的VGA顯示功能，增大的外部存儲(chǔ)器容量，作為高速圖形工作站進(jìn)行圖形圖像的設(shè)計(jì)、開發(fā)工作; ④ 作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用于Internet和企業(yè)局域網(wǎng)中提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù); ⑤ 作為分布式處理系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作站，比如銀行系統(tǒng)中，RM7000A的高速、寬帶能對各種交易請求做出快速響應(yīng);

⑥ 由于南橋引入了ISA總線，還可以改制成AT96總線方式，作為CPU控制板應(yīng)用于工控或其它地面設(shè)備中;同樣也可以擴(kuò)展出PCI、CompactPCI 接口作為控制板用于各種民品軍品中。 結(jié) 語 基于MIPS的微處理器在國外主要用于高端設(shè)備，在國內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用還不是很廣。但是，MIPS強(qiáng)大的功能和它先進(jìn)的技術(shù)理念已經(jīng)逐漸為人們所認(rèn)識(shí)到。研制基于MIPS的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)操作系統(tǒng)的研究、移植，以及各種應(yīng)用程序的開發(fā)，對于提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究水平，提高產(chǎn)品尤其是軍品的性能和競爭力，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 (本文為縮寫版本，詳細(xì)內(nèi)容請見www.dpj.com.cn)