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基于MIPS架構(gòu)的RISC微處理器RM7000A

時(shí)間:2024-08-12 11:15:28 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于MIPS架構(gòu)的RISC微處理器RM7000A

摘要:概要介紹基于MIPS指令集的RM7000A微處理器的大容量片內(nèi)緩存、超標(biāo)量流水線、指令雙發(fā)射、大量寄存器組等主要特性,并對(duì)其兩種應(yīng)用方案進(jìn)行探討。

引 言

??在眾多類型的RISC CPU體系中,MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)是相當(dāng)成功的一種。自從1983年John Hennessy在斯坦福大學(xué)成功地完成了第一個(gè)采用RISC理念的MIPS微處理器以來,基于MIPS構(gòu)架的CPU在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Cisco的路由器,IBM的網(wǎng)絡(luò)彩色打印機(jī),HP的4000、5000、8000、9000系列激光打印機(jī)及掃描儀,Sony的Playstation和Playstation 2游戲機(jī)等等,都是應(yīng)用了實(shí)現(xiàn)不同MIPS指令集的微處理器的產(chǎn)品。

??MIPS Technologies Inc本身不生產(chǎn)微處理器,它只設(shè)計(jì)高性能工業(yè)級(jí)的32位和64位CPU的結(jié)構(gòu)體系,并且向其它半導(dǎo)體公司提供使用其內(nèi)核(IP)的授權(quán),用于生產(chǎn)基于MIPS而又各具特色的微處理器。據(jù)MIPS公司網(wǎng)站介紹,現(xiàn)在已有超過50家公司申請(qǐng)了授權(quán),其中不乏IT界著名的大企業(yè),如:AMD、ATI、TI、NEC、Toshiba、Philips、PMC-Sierra、IDT、Quicklogic、Marvell等。

1 RM7000A概述

??RM7000A是PMC-Sierra公司RM7000系列微處理器的一種,使用CMOS 0.18μm藝制造而成,內(nèi)含2個(gè)獨(dú)立的64位整型單元和1個(gè)64位浮點(diǎn)單元;片內(nèi)集成了主緩存和二級(jí)緩存以及外部擴(kuò)展緩存控制器(最高支持8MB三級(jí)緩存);具有1個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射2條指令的功能;支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)。≒refetch);最高工作頻率可達(dá)400MHz;可寬溫工作,350MHz工業(yè)級(jí)處理器工作溫度為-40~ 85℃。

??該微處理器有以下主要特性。

(1)片內(nèi)集成大容量主緩存和二級(jí)緩存

??主緩存包括16KB指令緩存和16KB數(shù)據(jù)緩存。指緩和數(shù)緩都擁有各自的64位讀通道和128位寫通道,并且允許指緩和數(shù)緩?fù)瑫r(shí)被訪問。在400MHz時(shí),主緩可以給整型單元和浮點(diǎn)型單元提供總計(jì)高達(dá)6.4GB/s的帶寬。256KB的二級(jí)緩存擁有一個(gè)64位的讀/寫共用通道,只有在訪問主緩存發(fā)生未命中的情況下才會(huì)使用到。

??主緩存和二級(jí)緩存均采用4路組相聯(lián)。緩存線長32字節(jié),均為非阻塞式緩存(non-blocking cache),即在緩存訪問產(chǎn)生未命中(cache miss),且這個(gè)未命中沒有被消除的情況下,處理器無需停頓等待,可以繼續(xù)進(jìn)行緩存訪問。RM7000A允許最多有兩個(gè)未命中時(shí)仍可訪問緩存。只有在下面兩種情況下,微處理器才會(huì)產(chǎn)生停頓:一是在前兩個(gè)未命中還沒消除,指令總線上又出現(xiàn)了對(duì)緩存的存取指令;二是產(chǎn)生了兩個(gè)未命中,而隨后的指令要從前面一個(gè)引起未命中的指令處獲取數(shù)據(jù)才能繼續(xù)執(zhí)行。

(2)指令雙發(fā)射機(jī)制(dual issue mechanism)

??RM7000A的指令分為四種類型:整數(shù)型、浮點(diǎn)型、分支轉(zhuǎn)移(branch)和存/。╨oad/store)。處理器整型部件的超標(biāo)量分發(fā)單元含有兩個(gè)獨(dú)立的流水線:M-pipe(memory)和F-pipe(function)。其中,F(xiàn)-pipe處理整數(shù)型、分支轉(zhuǎn)移和浮點(diǎn)操作,如加、減、乘、除等;M-pipe負(fù)責(zé)整數(shù)型、存/取等操作,同時(shí)也進(jìn)行一些浮點(diǎn)數(shù)在寄存器間的移動(dòng)。指令雙發(fā)射框圖如圖1所示。

??如果每過一個(gè)時(shí)鐘周期,每條流水線流出一條指令,在外部看來就有兩條指令同時(shí)被執(zhí)行。但是,在處理器中并不是總能做到雙發(fā)射的,這跟具體的指令組合有關(guān),比如:當(dāng)一個(gè)指令要處理控制寄存器時(shí),就不能和其它的指令同時(shí)發(fā)射。

(3)超標(biāo)量流水線(superscalar pipeline)

??RM7000A包含一條5階超標(biāo)量指令流水線(度m=2),供M-pipe和F-pipe使用。每條指令被劃分為5個(gè)子過程:I為取指令,R為取寄存器數(shù),A為執(zhí)行,D為取數(shù)據(jù),W為寫回,如圖2所示。

??配合指令的雙發(fā)射機(jī)制,每過一拍,流水線都要流入兩條新的指令。在滿負(fù)荷的情況下,可以有10條指令在流水線不同的部件上同時(shí)運(yùn)行,相當(dāng)于提高了工作頻率。

??在RM7000A中,實(shí)際上還存在一個(gè)7階流水線單獨(dú)處理浮點(diǎn)操作,不過,這個(gè)流水線對(duì)用戶來說是完全透明的。

(4)寄存器組(register files)

??RM7000A含有眾多的寄存器。

◆ 整型操作寄存器組。位于整型單元中,包括32個(gè)64位的通用寄存器(GPR),2個(gè)專用于整型乘、除運(yùn)算的寄存器Hi和Lo,1個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC(對(duì)用戶透明)。其中通用寄存器的r0被硬連接為0。它可以作為目的寄存器存放指令以后會(huì)舍棄的暫時(shí)結(jié)果,也可以根據(jù)需要為指令提供0作為操作數(shù)。

◆ 浮點(diǎn)操作寄存器組。包含32個(gè)64位的浮點(diǎn)通用寄存器(FGR)和32個(gè)32位控制寄存器。

◆ 系統(tǒng)控制寄存器組(CP0)。用于內(nèi)存管理調(diào)度、地址轉(zhuǎn)換、異常處理等。

(5)集成、高效的內(nèi)存管理單元

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