[發明專利]多重微控制器管線式指令執行方法

有效

• 申請號: 200610107575.9
• 申請日: 2006-07-26
• 公開（公告）號: CN101114219A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 張榮麟
• 申請（專利權）人: 應廣科技股份有限公司
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 謝麗娜;陳肖梅

技術領域

本發明涉及一種程序控制指令的執行方法，尤其涉及一種一種多 重微控制器的管線式指令執行方(Pipeline?Instruction?Execution Method)。

背景技術

為追求微控制器的執行效率，現有技術中提出一種管線式指令執 行方法，此種方法將一個指令切割成若干個子部分，因每個子部份的 執行元件和執行動作不同，故可以在同一時間內，循序將不同指令的 子部份交由不同的電路元件來執行，盡量使電路元件不必閑置，以提 高執行效率。此種執行指令的方式類似以多條生產線來生產產品，故 稱為「管線式」指令執行方法。

請參閱圖1，其中顯示已知的三級管線式指令執行方法，此種指 令執行方法將指令切割成三個子部份。圖中上方的方波波形代表指令 周期(instruction?cycle)，其中每一組正負脈沖代表一個指令周期。所 謂指令周期，指根據該微控制器的設計，在該指令周期中，可完成一 個指令的某部份動作。一個指令周期未必恰是一個時鐘脈沖周期，而 可能是若干個時鐘脈沖周期。

在此種三級管線式指令執行方法中，通常是將指令執行分成：取 回指令、執行、寫回三個子部份。如圖所示，由于這三個子部份由不 同的電路元件執行，故可在第一個指令周期內先取回第N個指令，接 著在第二個指令周期內執行第N個指令，并由于負責取回指令的電路 元件已經空閑，故同時可令其依序取回下一個指令N+1；而在第三個 指令周期內，則同時進行：取回第N+2個指令、執行第N+1個指令、 及寫回第N個指令的動作。微控制器以如此方式依次執行各個指令。

圖1所示是上述三級管線式指令執行方法的理想狀況，但實際應 用上可能會出現圖2所示的非理想狀況。如圖2所示，程序指令未必 都是依序執行；根據統計，程序中約有12％的指令會進行跳躍，例如 jump，call，interrupt，interrupt?return等等。如果第N個指令為此種跳躍 指令，則所發生的執行狀況將如圖所示，于第二個指令周期時，微控 制器將自動依序取回下一個指令N+1，但必須等到第N個指令的執行 動作完畢后，在第三個指令周期時，才會發現此時應該執行的是第M 個指令、并非第N+1個指令，而必須取消與第N+1個指令相關的動作 (取消的作法是不予執行，或執行但不將結果寫回)。換言之，在第 二個指令周期時所作的自動依序取回指令動作，反而浪費了一個指令 周期。

以上所述為較簡單的三級管線式指令執行方法，如果是較復雜的 更多級管線式指令執行方法，則所面對的問題將更加嚴重。

圖3顯示已知的五級管線式指令執行方法，此種指令執行方法將 指令切割成五個子部份：取回指令、譯碼、取還暫存器資料、執行、 寫回。如圖所示，由于必須等到第N個指令的執行動作完畢后，才會 發現下一個應該執行的是第M個指令，因此所依序取回的第N+1、N+2、 N+3個指令全部必須取消，而所浪費的指令周期高達三個。

圖4顯示已知的八級管線式指令執行方法，此種指令執行方法將 指令切割成八個子部份：取回指令(1)、取回指令(2)、取還暫存器資料、 產生位址、執行/存儲器存取(1)、執行/存儲器存取(2)、例外狀況處 理、寫回。如圖所示，由于必須等到執行動作(2)完畢后，才會發現下 一個應該執行的是第M個指令，因此所浪費的指令周期高達五個。

如前所述，假設程序中有12％的指令非依序執行，則在三級管線 式指令執行方法中，大約有12％的指令會浪費一個指令周期，故共有 12％的指令周期會被浪費掉，或是，大約有12/(100+12)＝10.7％的效率 損失。在五級管線式指令執行方法中，大約有12％的指令會浪費三個 指令周期，故共有36％的指令周期會被浪費掉，或是，大約有 36/(100+36)＝26.5％的效率損失。而在八級管線式指令執行方法中，大 約有12％的指令會浪費五個指令周期，故所浪費的指令周期將超過一 半，或是，大約有60/(100+60)＝37.5％的效率損失。而最高階的微控制 器，甚至可能將指令切割成高過二十個子部份，則所相應產生的指令 周期浪費，可想象將是非常驚人。