[發明專利]多讀端口寄存器文件級驅動位單元電路

無效

• 申請號: 200710035331.9
• 申請日: 2007-07-10
• 公開（公告）號: CN101110261A
• 公開（公告）日: 2008-01-23
• 發明（設計）人: 張民選;賀鵬;李少青;陳吉華;趙振宇;陳怒興;馬劍武;徐煒遐;樂大珩;孫巖;劉婷;董蘭飛;唐世民;何小威;劉征
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G11C7/22
• 分類號: G11C7/22
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明主要涉及到微處理器中寄存器文件和多端口SRAM的位單元電路結構領域，特指一種多讀端口寄存器文件級驅動位單元電路。

背景技術

寄存器文件是微處理器中用于存放操作數和運算中間結果的部件，處于存儲層次的最高一層，與運算部件距離最近，相對存儲層次中的其他部件，它容量最小、速度最快；寄存器文件的使用減少了運算部件對主存的訪問次數、提高了運算速度。它作為CPU內核的關鍵部件，不可缺少，性能越高的微處理器對它的需求和依賴越重。數據寄存器文件作為寄存器文件中的一種，處于數據通路上，其訪問速度直接決定了處理器性能。

當前在市場需求和技術進步的作用下，微處理器性能也在不斷提升。微處理器性能的提高，一方面依賴于體系結構的改進，隨著CPU對指令的前瞻性推測執行、指令的顯式并行執行、前瞻多線程、同時多線程等技術的應用，致使在ILP和IPC不斷提高的同時，流水線數目和指令窗口也在不斷增大，這些都導致了使用的寄存器規模在不斷增大。同時為了在一個周期內給不斷增多的運算部件提供數據和存儲結果，寄存器文件的讀寫端口數也在不斷增多。大規模、多端口寄存器文件往往很難具有很快的讀寫訪問速度，逐漸成為了高性能微處理器設計中的瓶頸。

據報道，1986年以前，微處理器性能平均每年提高35％，1987年以后，微處理器性能平均每年提高55％，而對于存儲器，若以1980年的64KB?DRAM為基準，那么它每3年才能更新換代一次，訪問延遲每年只有7％的性能增長。當前存儲器的性能已經和微處理器不相匹配了，而且這個差距還在不斷增大。

由此可見對于大規模、多端口寄存器文件進行高速設計至關重要。

要實現寄存器文件的高速設計，對完成讀、寫、存功能的核心位單元進行優化就成了關鍵問題，設計良好的位單元電路，一方面可以減小讀寫譯碼的負載；另一方面，可以保證對同一字進行多讀端口同時讀出的良好驅動力。

微處理器中使用到的寄存器文件常用的位單元設計方法如下：

1、采用類似于SRAM的雙端讀寫位單元電路，如果不使用讀寫共享，則每增加一個讀出或者寫入端口，相應的存儲體上就要增加兩個讀出或者寫入管，圖1是兩讀一寫端口的雙端讀寫位單元電路。

圖中PMOS管P1，P2和NMOS管N1，N2構成存儲核心單元，NMOS管Nr0，Nr1和Nw0分別為兩個讀數據選通管，和寫數據選通管。RE0為第0讀端口使能信號，RE1為第1讀端口使能信號；RD0為第0讀端口讀出信號，RD0_NOT為第0讀端口讀出信號取反值，RD1為第1讀端口讀出信號，RD1_NOT為第1讀端口讀出信號取反值；WE0為第0寫端口使能信號，WD0為第0寫端口寫入信號，WD0_NOT為第0寫端口寫入信號取反值。

采用這樣的存儲位單元結構，隨著寄存器文件向著大規模、多端口方向發展，一方面大規模的發展趨勢將引起讀出管驅動的負載加大，這可能需要增大讀出管尺寸，另一方面，讀出端口數目也在不斷增多；而在核心位單元中存在著如下驅動鏈關系：讀寫譯碼器分別驅動讀出和寫入管、讀出管驅動讀出負載、存儲體驅動讀出管、寫入管驅動存儲體。這樣為了保持性能不降低，需要依次增大存儲體、寫入管、讀寫譯碼單元尺寸，一方面致使版圖實現不利，另一方面增大了寄存器文件輸入地址信號、寫數據信號、時鐘信號和讀寫使能信號的負載，對全局電路實現不利。

2、采用寄存器文件通常使用的單端讀寫核心位單元結構，如圖2所示，

與雙端讀寫單元不同，這種三態位單元結構在進行讀出操作時，三態存儲體反饋存值，保證讀出；在進行寫入操作時，使能信號EN將NMOS管N3關斷，從而關斷三態存儲體，完成無競爭的寫入操作。因此，這種三態位單元結構讀和寫都只需要對一端操作即可完成，當需要增加讀寫端口時，每個端口只需要增加一個讀出管或者寫入管，這種結構雖然可以大大減小版圖面積，但是也存在著通常設計結構1中所說的驅動鏈問題，引起相同的設計不利因素。因此需要對包含讀寫存功能的核心位單元進行改進，弱化驅動鏈問題帶來的不利因素，利用驅動鏈有利的一面，減小尺寸逐增影響。

發明內容

本發明要解決的問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種能夠能夠減小核心單元的驅動負載，從而有利于減小核心單元的面積，同時保證數據被正確讀出的多讀端口寄存器文件級驅動位單元電路。