RISC CPU對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理及仿真分析

1 引言

在RISC CPU的設(shè)計(jì)當(dāng)中，轉(zhuǎn)移指令的處理對(duì)處理器的性能的影響非常關(guān)鍵。轉(zhuǎn)移指令決定著程序的執(zhí)行順序，在程序中的使用頻率很高。RISC CPU中程序是以流水線的方式執(zhí)行的，當(dāng)程序順序執(zhí)行時(shí)，下一條指令的地址與前一條指令的內(nèi)容無關(guān) ；而在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行結(jié)果來確定下一條指令的地址，也就是說下一條指令的地址在轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行之前是未知的，造成流水線的不連貫，影響了CPU的效率。

轉(zhuǎn)移指令處理的方法很多，可分為預(yù)測法和非預(yù)測法，預(yù)測法又包含靜態(tài)預(yù)測和動(dòng)態(tài)預(yù)測，靜態(tài)預(yù)測如總預(yù)測跳轉(zhuǎn)、正向不跳轉(zhuǎn)反向跳轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)預(yù)測如2比特計(jì)數(shù)器(2BC) 、BTC；非預(yù)測法如延時(shí)跳轉(zhuǎn)等[1]。這些基本方法合理組合之后可以得到很好的效果。

本文介紹的RISC CPU對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理方法，為5級(jí)流水線作業(yè)，分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫，對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理在取指級(jí)和譯碼級(jí)完成；譯碼級(jí)給出轉(zhuǎn)移指令所包含的詳細(xì)信息，取指級(jí)包含有地址計(jì)算單元，轉(zhuǎn)移目標(biāo)Cache (BTC)，跳轉(zhuǎn)判斷單元等。對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理使用了延時(shí)跳轉(zhuǎn)、2BC以及BTC方法。

2 轉(zhuǎn)移指令的原理

該RISC CPU的指令集中包含有條件轉(zhuǎn)移指令和非條件轉(zhuǎn)移指令。所有的轉(zhuǎn)移指令均使用延時(shí)轉(zhuǎn)移，每條轉(zhuǎn)移指令后面跟隨一條延時(shí)槽指令；采用2BC預(yù)測條件轉(zhuǎn)移是否跳轉(zhuǎn)，而BTC則保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)為固定地址的轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行后的信息。以下分別介紹在該RISC CPU設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)移指令的設(shè)計(jì)以及延時(shí)轉(zhuǎn)移、BTC、2BC的具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 轉(zhuǎn)移指令類型及格式

該RISC CPU的指令集中包含條件轉(zhuǎn)移指令（BCC）和非條件轉(zhuǎn)移指令（CALL和RET），其編碼格式為圖1所示。CALL指令包含2位的操作碼和30位的絕對(duì)地址。BCC指令包含8位操作碼， 4位條件碼(Condition Code)，19位偏移量以及1位用來區(qū)分指令是否帶A參數(shù)(即ANNUL操作)。所有的BCC指令使用相同的操作碼，不同的BCC指令用條件碼來區(qū)分，共有16類BCC指令；偏移量為帶符號(hào)數(shù)，在低位用00擴(kuò)展后可以對(duì)±220的相對(duì)地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個(gè)5位的寄存器地址。