高性能32位移位寄存器單元的設(shè)計(jì) - 全文

 1 引言

　　本文給出了一種可用于32位以上CPU執(zhí)行單元的移位寄存器電路，并針對(duì)CISC指令集INTEL X86進(jìn)行了優(yōu)化(由于RISC指令集中移位類指令實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，故沒有在文中討論);采用指令預(yù)處理的技術(shù)和通過冗余位，能很方便的實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位標(biāo)志 CF移位和設(shè)置CF位，并使得每條移位指令的平均執(zhí)行速度為兩個(gè)指令周期。它有效地提高了CPU對(duì)移位類指令的執(zhí)行性能，并且作為一個(gè)基本的內(nèi)核單元能很方便地移植到不同指令集(RISC或 CISC)的CPU設(shè)計(jì)之中。

　　2 32位CPU中執(zhí)行單元總體結(jié)構(gòu)

　　我們所設(shè)計(jì)的32位CPU的執(zhí)行部分采用雙總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線(Abus，Bbus)的寬度是32位。由于移位類指令如果用ALU進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的話，必然會(huì)耗費(fèi)太多的CPU周期，為實(shí)現(xiàn)在一個(gè)指令周期內(nèi)對(duì)32位數(shù)據(jù)進(jìn)行任意位的移位操作，因此有必要在執(zhí)行單元中設(shè)計(jì)專用硬件移位寄存器，在執(zhí)行移位類指令時(shí)由它進(jìn)行32位數(shù)據(jù)的移位。

　　圖1給出了32位CPU執(zhí)行單元總體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并省略了所有控制信號(hào)。圖中Abus為雙向32數(shù)據(jù)總線，Bbus為單向32位數(shù)據(jù)總線。由于考慮到要實(shí)現(xiàn)INTEL X86系列所有的移位類指令(RCR，RCL，ROR，ROL等)，所以移位寄存器在設(shè)計(jì)時(shí)采用雙輸入端，即實(shí)際該移位寄存器最大能實(shí)現(xiàn)64位移位。通過特殊的指令預(yù)設(shè)置方法，并通過增加冗余位實(shí)現(xiàn)標(biāo)志位的設(shè)置。

　　3 移位寄存器單元的設(shè)計(jì)

　　3.1 矩陣移位器和樹狀移位器

　　在CPU中移位寄存器單元的設(shè)計(jì)一般采用的是矩陣結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)的移位器。

　　3.1.1 矩陣結(jié)構(gòu)(Matrix Style)移位器

　　它的結(jié)構(gòu)為一傳輸門組成的陣列。行數(shù)等于操作數(shù)據(jù)寬度，列數(shù)等于最多能移位數(shù)如圖2所示(以4位舉例)。

　　其中A3～A0是4位數(shù)據(jù)輸入線，sh3～sh0是 4根控制信號(hào)線。每次進(jìn)行N位移位操作，對(duì)應(yīng)的shN為高，其它控制信號(hào)為低。

　　這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，每個(gè)信號(hào)到達(dá)輸出端只經(jīng)過了一級(jí)傳輸，不受移位器位數(shù)限制;(2)版圖很規(guī)整。缺點(diǎn)是：(1)每根控制信號(hào)的負(fù)載太大，如32位移位器，每根信號(hào)線(sh0,sh1,……sh31)都要驅(qū)動(dòng)32個(gè)開關(guān)管;(2)所需晶體管數(shù)目太多，如n位移位器所需晶體管數(shù)為2× n×n=2n2 (傳輸門部分采用CMOS實(shí)現(xiàn))，所帶來的功耗和芯片面積也會(huì)增加;(3)每一移位操作只需一根控制線為1，所以需輔以額外的譯碼單元。

　　3.1.2 樹狀結(jié)構(gòu)(Tree Style)移位器

　　這種結(jié)構(gòu)M位移位器所需的級(jí)數(shù)是log 2M每一級(jí)都由兩根信號(hào)線(shn和sh n#)控制數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)在第i級(jí)要么移動(dòng)2 i位或者不移動(dòng)。 樹狀移位器如圖3所示。

　　這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)晶體管數(shù)目少， n位移器所需晶體管數(shù)目為2×n×log n(傳輸門部分采用CMOS實(shí)現(xiàn))，版圖面積小于矩陣移位器;(2)控制信號(hào)shN～sh0本身就是二進(jìn)制表示,不需要額外的譯碼單元。缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)通路所需經(jīng)過的開關(guān)管數(shù)目太多，M位移位器所需的級(jí)數(shù)是log 2M，因此導(dǎo)致延時(shí)太大。

　　3.2 矩陣-樹狀結(jié)構(gòu)移位器

　　由上面的分析我們可以看出，如果所設(shè)計(jì)的處理器為16位以下CPU，那其移位器不管采用上述哪種方案都能達(dá)到要求，但當(dāng)數(shù)據(jù)寬度到32位以上，從功耗，速度及版圖面積考慮以上方案的固有缺點(diǎn)就會(huì)顯得非常突出。在本設(shè)計(jì)中，移位寄存器的實(shí)際輸入為64位，為結(jié)合矩陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(速度快、版圖規(guī)整)和樹狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(晶體管數(shù)目少、譯碼簡(jiǎn)單)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用矩陣-樹狀結(jié)構(gòu)整個(gè)移位寄存器的是由雙總線輸入，即輸入64位，表1中列舉了不同級(jí)別比例的矩陣-樹狀結(jié)構(gòu)所需晶體管數(shù)目(n1為tree的級(jí)數(shù)，n2為matrix的控制線，n3為matrix中用的晶體管數(shù)目)。經(jīng)過綜合考慮，我們采用第2行的矩陣-樹狀級(jí)別比例，即矩陣部分最大能實(shí)現(xiàn)8位移位，樹狀部分最大能實(shí)現(xiàn)4位移位。

　　經(jīng)過各方面綜合考慮，我們所設(shè)計(jì)的移位寄存器的前級(jí)為矩陣結(jié)構(gòu)部分(輸入數(shù)據(jù)為64位，控制信號(hào)8位)，由這一部分形成一36位的數(shù)據(jù)送入下一級(jí)樹狀結(jié)構(gòu)(輸入數(shù)據(jù)為36位，控制信號(hào)2位)部分再完成剩余的4位移位，形成32位輸出數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

        在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，后級(jí)的樹狀移位器最高實(shí)現(xiàn)3 位移位。輸入的2bit信號(hào)為2進(jìn)制碼，這兩位由移位計(jì)數(shù)器sh4～sh0直接將最低兩位送入(在后一節(jié)將介紹)。前級(jí)的矩陣結(jié)構(gòu)完成64位輸入36位輸出，我們?cè)O(shè)64位數(shù)據(jù)輸入由Abus,Bbus提供，如圖5所示。每一小格代表4位數(shù)據(jù)。這64位數(shù)據(jù)送入矩陣移位器后，根據(jù)計(jì)數(shù)器的高三位sh4～sh2 進(jìn)行譯碼對(duì)其進(jìn)行4，8，12，16，20，24，28，32中的一種移位(對(duì)應(yīng)8bits中的一位為高)。形成36位的數(shù)據(jù)輸出送入下級(jí)樹狀移位器以完成剩余位數(shù)的移位。36位數(shù)據(jù)輸出格式如圖6所示。其中COUNT表示總共移位數(shù)。

　　4 指令的預(yù)處理及移位類指令的實(shí)現(xiàn)

　　在我們?cè)O(shè)計(jì)的這片CPU中，需要對(duì)INTEL的 X86系列移位類指令進(jìn)行兼容。因此移位寄存器單元需要在周圍譯碼和鎖存單元的配合下，要能在一個(gè)指令節(jié)拍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ROL，ROR，RCL，RCR， SHL，SHR，SAR，其中RCL，RCR實(shí)現(xiàn)了帶標(biāo)志位C的移位(指令說明見文獻(xiàn)[4])。因此需由處理器的控制單元在每類移位指令移位之前進(jìn)行指令的預(yù)處理。

　　4.1 移位寄存器單元總體結(jié)構(gòu)

　　最終設(shè)計(jì)出的移位寄存器單元總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其中其核心部分的矩陣-樹狀結(jié)構(gòu)的移位寄存器就是使用上一節(jié)所描述的結(jié)構(gòu)。記數(shù)器中的數(shù)據(jù)(sh4～sh0)在移位上一拍由Bbus寫入，并進(jìn)行譯碼，其中低兩位(sh1，sh0)直接送樹狀結(jié)構(gòu)移位部分，高三位(sh4,sh3,sh2)經(jīng)過譯碼產(chǎn)生8位控制信號(hào)送入矩陣移位部分。Abus和Bbus輸入鎖存器能鎖存32位數(shù)據(jù)輸入，并根據(jù)不同指令的要求進(jìn)行操作，對(duì)指令進(jìn)行預(yù)處理。移位結(jié)果送ALU輸出鎖存器，并對(duì)CF寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　4.2 指令的預(yù)處理

　　由于要對(duì)實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位CF的移位并在移位操作后對(duì)CF進(jìn)行設(shè)置，在一般情況下這需要CPU的控制單元提供多周期指令節(jié)拍來實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，將 Abus和Bbus輸入鎖存器設(shè)計(jì)為能根據(jù)不同的指令實(shí)現(xiàn)清0和帶CF左移一位或右移一位的操作，以便為移位做好數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)備，使輸入數(shù)據(jù)的0～32位移位能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。對(duì)不同的指令具體設(shè)置情況如圖8所示。圖中CF表示為進(jìn)位標(biāo)志位;len為操作數(shù)長(zhǎng)度(如32位數(shù)據(jù)); n為移位數(shù);DATA表示輸入鎖存輸出的數(shù)據(jù)為操作數(shù)據(jù)本身; 0表示輸入鎖存輸出的數(shù)據(jù)為0;CF：DATA(-1)表示輸入鎖存輸出的數(shù)據(jù)為操作數(shù)帶CF右移一位;DATA(-1)：CF表示輸入鎖存輸出的數(shù)據(jù)為操作數(shù)帶CF左移一位;SIGN_EXT表示輸入鎖存輸出的數(shù)據(jù)為操作數(shù)帶符號(hào)擴(kuò)展。橫線下為移位前Abus和Bbus鎖存器中數(shù)據(jù)預(yù)處理完后的格式，橫線上方位移位完成后數(shù)據(jù)輸出及進(jìn)位CF所處位置。

　　例：RCL AX , CL 指令

　　設(shè)AX=0001H , CL="3" , CF="1"

　　Abus鎖存器輸出數(shù)據(jù)為操作數(shù)本0001H; Bbus鎖存器輸出的數(shù)據(jù)為操作數(shù)帶CF右移一位為1000H;

　　在輸出中，CF在輸出結(jié)果的最左端為0。

　　5 驗(yàn)證及結(jié)論

　　通過verilog的行為仿真及starsim的時(shí)序仿真顯示，性能完全符合要求。對(duì)比INTEL X86指令集中移位類指令標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行周期為4～7個(gè)機(jī)器周期，本設(shè)計(jì)移位類指令平均執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)指令周期，因此大大提高了移位類指令執(zhí)行效率。移位寄存器作為CPU中執(zhí)行單元的專用硬件，其性能的好壞直接影響到CPU處理移位類指令的速度和效率。本文采用的矩陣-樹狀結(jié)構(gòu)移位寄存器，配合指令預(yù)處理技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)32位數(shù)據(jù)的移位操作，并兼容INTEL X86系列的所有移位類指令還可作為通用硬件方便地移植到其他指令級(jí)別的CPU設(shè)計(jì)之中。