[發(fā)明專利]一種指令分配和預(yù)處理指令譯碼的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010238659.2
• 申請日: 2010-07-26
• 公開（公告）號: CN101901130A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李兆麟;鄭慶偉;陳佳佳;葉劍飛;魏熾頻;李圣龍;王芳
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G06F9/30
• 分類號: G06F9/30
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種指令分配和預(yù)處理指令譯碼的裝置。

背景技術(shù)

DSP(Digital?Signal?Processor，數(shù)字信號處理器)是一種獨特的微處理器，其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特點。

由于DSP能夠?qū)崟r快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法實時處理等特點，數(shù)字信號處理器被廣泛應(yīng)用于語音處理、圖形圖像處理、通信設(shè)備、多媒體設(shè)備、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療儀器、家用電器、汽車工業(yè)和軍事武器裝備等領(lǐng)域。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，各種應(yīng)用對DSP處理器的要求越來越高，需要快速的處理大量數(shù)據(jù)和信息。應(yīng)對這種性能上的需求，現(xiàn)代數(shù)字信號處理器硬件部分均采用了高性能的超長指令字(VLIW，Very?Long?Instruction?Words)的體系結(jié)構(gòu)。VLIW結(jié)構(gòu)是由耶魯大學(xué)的J.A?Fisher于1983年首次提出的一種計算機體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過編譯器來發(fā)現(xiàn)指令間的并行性，通過調(diào)度將能夠并行執(zhí)行的指令合并在一起組成一個超長的指令，由執(zhí)行部件的多個功能單元同時執(zhí)行。VLIW把許多條指令連在一起，增加了運算的速度。超長指令字是處理器設(shè)計領(lǐng)域中的一種越來越流行的技術(shù)。

在VLIW體系下，DSP每次取回的指令由多個功能單元執(zhí)行，所以必須使指令能夠正確的分配到目標(biāo)功能單元。指令分配單元同步功能單元同時執(zhí)行的各種操作，并把長指令中的各個字段分配給對應(yīng)的功能單元，然后在功能單元內(nèi)進行譯碼，產(chǎn)生控制信號控制功能單元實現(xiàn)指令規(guī)定的功能。指令分配單元的設(shè)計是基于該體系結(jié)構(gòu)的微處理器設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。高速正確地實現(xiàn)指令分配，可以避免指令分配階段成為整個處理器設(shè)計的瓶頸。

在目前的VLIW體系結(jié)構(gòu)下，指令分配單元主要存在如下問題需要解決：

1、正確的指令分配。DSP每次取指取回8條32位的指令，這個指令包稱為一個取指包。這8條指令可以全部并行執(zhí)行，也可以全部串行執(zhí)行，也可以分為任意組，其中每組中的指令并行執(zhí)行，每組之間串行執(zhí)行。并行執(zhí)行的一組指令稱為一個執(zhí)行包，一個取指包可以分割為1到8個執(zhí)行包。

2、在確定分配幾條指令之后，判斷出執(zhí)行包的這幾條指令分別需要由哪個功能單元執(zhí)行，將它們分配到相應(yīng)的功能單元中。另外，如果執(zhí)行包中包含多周期停頓指令，還要輸出多周期停頓指令的停頓周期數(shù)。

3、由于一個取指包中可能包含1到8個執(zhí)行包，將這些執(zhí)行包分配完需要多個周期。在每個周期，如果取指包中有還沒分配的執(zhí)行包，那么在接下來的周期中要停止前面的幾級流水線，而分配部分對取指包中還沒分配的執(zhí)行包繼續(xù)進行分配，直到所有的執(zhí)行包都分配完，前面的流水線再繼續(xù)前進。對流水線的暫停通過控制器進行控制。這是流水線正常運轉(zhuǎn)所必需的要求，否則程序執(zhí)行的正確性無從保證。

4、分支指令進入取指階段后，會沖掉正在分配階段的指令，而分配單元需要從分支指令所指示的位置開始分配。所以在這種情況下將會打斷正常指令分配的過程，而是直接開始新的指令分配。

5指令分配階段結(jié)束以后，指令將被譯碼執(zhí)行。據(jù)統(tǒng)計DSP的性能分析表明，指令譯碼和準(zhǔn)備操作數(shù)階段是導(dǎo)致DSP時鐘頻率不能進一步提升的瓶頸。所以在DSP的實際設(shè)計考慮里面，為了盡量使系統(tǒng)具備提升性能的可能，需要在指令分配階段對指令譯碼做一些預(yù)操作處理。

綜上所述，分配指令階段事件的復(fù)雜性使得分配邏輯的設(shè)計非常復(fù)雜，與此相對應(yīng)的電路面積和功耗成為VLIW架構(gòu)下的嚴(yán)重缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別針對適用于超長指令字架構(gòu)下的數(shù)字信號處理器，具有高效的性能和較小的面積功耗的平衡，提出了一種指令分配和預(yù)處理指令譯碼的裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提出了一種指令分配和預(yù)處理指令譯碼的裝置，包括：

指令分配模塊，用于生成指令分配使能信號和下一個周期的指令分配信號；

指令判斷及選擇模塊，用于根據(jù)來自所述指令分配模塊的指令分配使能信號，生成各個功能單元的指令選擇信號，選擇并輸出相應(yīng)的功能單元指令；和

指令預(yù)處理模塊，用于對來自所述指令判斷及選擇模塊的各個功能單元的指令進行預(yù)處理譯碼，輸出各個相應(yīng)功能單元的指令預(yù)處理信號。