如何在32個(gè)處理器中編輯并且翻譯64固定的點(diǎn)進(jìn)位計(jì)算

摘要：介紹嵌式32位CPU在編譯器中解決64位運(yùn)算的方法，并列舉一個(gè)加法運(yùn)算的例子，給出可供參考的指令模板。包括32位RISC體系嵌入式CPU層次結(jié)構(gòu)和編譯器后端結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：RTL 指令模板 編譯優(yōu)化 1 概述 在信息化飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)已成為人們學(xué)習(xí)和工作不可缺少的工具，我國(guó)業(yè)已取得了電腦生產(chǎn)大國(guó)的地位;但是，作為計(jì)算機(jī)的核心——CPU的設(shè)計(jì)與制造，卻成了幾代計(jì)算機(jī)工作者的未了習(xí)愿，也給國(guó)家的安全帶來(lái)了隱憂。順應(yīng)潮流，中芯微系統(tǒng)公司于2001年推出了國(guó)內(nèi)第一顆實(shí)用化的32位CPU(方舟一號(hào))，主頻達(dá)到166MHz。下一代方舟CPU將采用0.18μm工藝，超流水結(jié)構(gòu)，主頻能達(dá)到600MHz以上，在嵌入式CPU領(lǐng)域走到國(guó)際前列。 傳統(tǒng)的32位計(jì)算機(jī)處理64位運(yùn)算通常是設(shè)計(jì)具體的邏輯電路實(shí)現(xiàn)。隨著SoC(System on Chip)的出現(xiàn)，芯片上集成各種功能部件越來(lái)越多，特別對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，片上能利用的空間就列加有限，這也要求將部分功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于64位長(zhǎng)字運(yùn)算軟件實(shí)現(xiàn)的方法通常有兩種：一是設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件供操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用;二是在相關(guān)的編譯器中設(shè)計(jì)指令模板來(lái)解決。前者執(zhí)行效率高，但每使用一次就要編譯一次;后者只需編譯一次，總的效率要高于前者。因此，實(shí)際采用在編譯器中設(shè)計(jì)指令模板予以解決。 2 32位RISC體系嵌入式CPU層次結(jié)構(gòu)描述 圖1是一個(gè)集成了DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)嵌入式CPU的層次圖。

從圖1可看到，編譯器在整個(gè)CPU結(jié)構(gòu)中處于ASIC硬件電路之下和操作系統(tǒng)之上，擔(dān)負(fù)著將高級(jí)的、抽象的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為相對(duì)低級(jí)的表達(dá)式，最終生成系統(tǒng)指令集。 3 CPU編譯器后端結(jié)構(gòu) CPU編譯器分為前端和后端：前端主要完成詞法/語(yǔ)法分析并生成語(yǔ)法樹，這里不再論述;后端是編譯的主體部分，它將語(yǔ)法樹轉(zhuǎn)換成不間語(yǔ)言，在此不間語(yǔ)言基礎(chǔ)上進(jìn)行各種編譯優(yōu)化，最終生成匯編指令代碼。編譯后端在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中要跟具體的目標(biāo)機(jī)的機(jī)器描述文件多次匹配，生成RTL語(yǔ)言(Register Transfer Language)—GNU CC的中間語(yǔ)言。 機(jī)器描述文件由各種與目標(biāo)機(jī)有關(guān)的指令模板、功能模板、C語(yǔ)言形式的預(yù)處理函數(shù)等構(gòu)成。本文涉及到的64位運(yùn)算就是由RTL和指令模板多次匹配后生成匯編指令來(lái)解決的，過(guò)程如圖2所示。 限于篇幅，這里僅舉64位加法運(yùn)算的部分例子，其它運(yùn)算與此類似。 4 64位加法運(yùn)算指令板 ① RTL識(shí)別指令模板，第一次匹配。 (define_insn “adddi3”) [(set(match_operand:DI 0 "register_operand" "=r") (plus:DI (match_operand:DI 1“register_operand”“0”) (match_operand:DI 2 "register_operand"“r”))) (clobber(reg:SI 6))]//6號(hào)寄存器作進(jìn)位使用 "") ② 將64位加法分解成高32位和低32位運(yùn)算，第二次匹配。 (define_split [(set(match_operand:DI 0 "register_operand"“=r”) (plus:DI (match_operand:DI 1“register_operand”“0”) (match_operand:DI 2 “register_operand”“r”))) (clobber(reg:SI 6))] "reload_complete" “{ [(const_int 0)] //寄存器使用前清零 rtx low[3],high[3]; //rtx為一種處理表達(dá)式的數(shù)據(jù)類型 low[0]=gen_lowpart(Simode,operands[0]); low[1]=gen_lowpart(Simode,operands[1]); low[2]=gen_lowpart(Simode,operands[2]); high[0]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[0]-1); high[1]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[1]-1); high[2]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[2]-1); //由于方舟CPU地址存儲(chǔ)方式采用的是Big-Endian，即字節(jié)中的最高有效位具有最低序號(hào)，所以高位硬寄存器號(hào)要減1。 emit_insn(gen_addsi3_set_carry(low[0],low[1],low[2])) //低32位加并設(shè)置進(jìn)位 emit_insn(gen_addsi3_use_carry(high[0],high[1],high[2])); //高32位加并處理進(jìn)位 DONE;

} ③ 處理低32位加。 (define_insn "addsi_set_carry" [(set(match_operand:SI 0 (match_operand:SI1 "register_operand" "r") (match_operand:SI 2 "register_operand"“r”))) (clobber(reg:SI6))] //以下判斷是否有進(jìn)位。有，則6號(hào)寄存器置1(set(reg:SI6) (itu:SI(plus:SI(match_dup 1)match_dup 2))(match_dup 1)))] "" "addt%0,%1,%2" //生成低32位匯編模板 ) ④處理高32位加。 (define_insn "addi3_use_carry" (define_insn "adddi3_use_carry" [(set(match_operand:SI 0 "register_operand"“=r”) (plus:SI(plus:SI(match_operand:SI 1 "register_operand" "r")) (reg:SI 6))) (clobber(reg:SI 6))] “” "add%0,%1,%2;addt%0,%0,r6" //生成高32位帶進(jìn)位加匯編模板 ) 在機(jī)器描述文件中，DI為64位機(jī)器方式，SI為32位方式。該文件由機(jī)器描述處理程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，它將調(diào)用編譯內(nèi)部一套專門的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為接口，生成gen_開頭的預(yù)處理函數(shù)對(duì)指令模板作進(jìn)一步的處理，再生成由insn_開頭的函數(shù)對(duì)模板作匹配后生成匯編代碼。 結(jié)語(yǔ) 在方舟二號(hào)CPU上測(cè)試的結(jié)果達(dá)到了64運(yùn)算的要求，相關(guān)的指令代碼如下： …… 132 r18,[r15,4] 132 r19,[r15,8] add r16,r16,r18 add r17,r17,r19 add r17,r17,r6 …… 用SPEC95進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算測(cè)試，可達(dá)280MIPS以上，收到了較好的預(yù)期結(jié)果。