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概要介紹基于MIPS指令集的RM7000A微處理器的大容量片內緩存、超標量流水線、指令雙發射、大量寄存器組等主要特性，并對其兩種應用方案進行探討。 在眾多類型的RISC CPU體系中，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是相當成功的一種。自從1983年John Hennessy在斯坦福大學成功地完成了第一個采用RISC理念的MIPS微處理器以來，基于MIPS構架的CPU在網絡、通信、多媒體娛樂等領域得到了廣泛應用。Cisco的路由器，IBM的網絡彩色打印機，HP的4000、5000、8000、9000系列激光打印機及掃描儀，Sony的Playstation和Playstation 2游戲機等等，都是應用了實現不同MIPS指令集的微處理器的產品。 MIPS Technologies Inc本身不生產微處理器，它只設計高性能工業級的32位和64位CPU的結構體系，并且向其它半導體公司提供使用其內核（IP）的授權，用于生產基于MIPS而又各具特色的微處理器。據MIPS公司網站介紹，現在已有超過50家公司申請了授權，其中不乏IT界著名的大企業，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，內含2個獨立的64位整型單元和1個64位浮點單元；片內集成了主緩存和二級緩存以及外部擴展緩存控制器（最高支持8MB三級緩存）；具有1個時鐘周期發射2條指令的功能；支持數據預取（Prefetch）；最高工作頻率可達400MHz；可寬溫工作，350MHz工業級處理器工作溫度為－40～+85℃。 該微處理器有以下主要特性。 (1)片內集成大容量主緩存和二級緩存 主緩存包括16KB指令緩存和16KB數據緩存。指緩和數緩都擁有各自的64位讀通道和128位寫通道，并且允許指緩和數緩同時被訪問。在400MHz時，主緩可以給整型單元和浮點型單元提供總計高達6.4GB/s的帶寬。256KB的二級緩存擁有一個64位的讀/寫共用通道，只有在訪問主緩存發生未命中的情況下才會使用到。 主緩存和二級緩存均采用4路組相聯。緩存線長32字節，均為非阻塞式緩存（non-blocking cache），即在緩存訪問產生未命中（cache miss），且這個未命中沒有被消除的情況下，處理器無需停頓等待，可以繼續進行緩存訪問。RM7000A允許最多有兩個未命中時仍可訪問緩存。只有在下面兩種情況下，微處理器才會產生停頓：一是在前兩個未命中還沒消除，指令總線上又出現了對緩存的存取指令；二是產生了兩個未命中，而隨后的指令要從前面一個引起未命中的指令處獲取數據才能繼續執行。 (2)指令雙發射機制（dual issue mechanism） RM7000A的指令分為四種類型：整數型、浮點型、分支轉移（branch）和存/取（load/store）。處理器整型部件的超標量分發單元含有兩個獨立的流水線：M-pipe（memory）和F-pipe（function）。其中，F-pipe處理整數型、分支轉移和浮點操作，如加、減、乘、除等；M-pipe負責整數型、存/取等操作，同時也進行一些浮點數在寄存器間的移動。指令雙發射框圖如圖1所示。 如果每過一個時鐘周期，每條流水線流出一條指令，在外部看來就有兩條指令同時被執行。但是，在處理器中并不是總能做到雙發射的，這跟具體的指令組合有關，比如：當一個指令要處理控制寄存器時，就不能和其它的指令同時發射。 (3)超標量流水線（superscalar pipeline） RM7000A包含一條5階超標量指令流水線（度m=2），供M-pipe和F-pipe使用。每條指令被劃分為5個子過程：I為取指令，R為取寄存器數，A為執行，D為取數據，W為寫回，如圖2所示。 配合指令的雙發射機制，每過一拍，流水線都要流入兩條新的指令。在滿負荷的情況下，可以有10條指令在流水線不同的部件上同時運行，相當于提高了工作頻率。 在RM7000A中，實際上還存在一個7階流水線單獨處理浮點操作，不過，這個流水線對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64位的通用寄存器（GPR），2個專用于整型乘、除運算的寄存器Hi和Lo，1個程序計數器PC（對用戶透明）。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舍棄的暫時結果，也可以根據需要為指令提供0作為操作數。 ◆ 浮點操作寄存器組。包含32個64位的浮點通用寄存器（FGR）和32個32位控制寄存器。 ◆ 系統控制寄存器組（CP0）。用于內存管理調度、地址轉換、異常處理等。 (5)集成、高效的內存管理單元 為快速將虛擬地址轉換成物理地址，RM7000A使用一個大容量的全相聯TLB（Translation Lookaside Buffer，如圖3所示）來實現這個目標。這個TLB被指令和數據共用，稱為JTLB（Joint TLB）；可以配置成48對或64對入口，分別映射96頁或128頁的虛擬地址。頁面的大小可配置，從小到大依次為4K、16K、64K、256K、1M、4M、16M。當發生TLB未命中時，RM7000A采用的替換算法主要是隨機替換，以簡化硬件設計。同時也提供鎖定特定地址機制，以便操作系統為提高性能而讓一些頁面持續被映射。 ASID——Address Space Identifier，虛擬空間標識符，表示內核態（kernel）、管態（supervisor）、用戶態（user）三種虛擬空間。 G——Global，每個TLB入口都有的標識符。 (6)指令格式及尋址方式 需要注意的一點是：盡管RM7000A是64位的微處理器，但它的指令長度都是固定的32位。 RM7000A是一種典型的寄存器型（Register-Register）微處理器，即除了load/store指令外，其它的指令不能直接訪問內存。這樣的好處顯而易見：寄存器的訪問速度比存儲器快得多，寄存器存儲使得編譯器的效率提高，于是程序的執行速度加快；另外，表示寄存器的位數比表示內存單元的位數要少，從而可以改善指令密度。 MIPS類的指令可以用三種形式表示。 MIPS構架支持兩種尋址方式。 ◆ 立即數尋址（immediate）。例如：Add R1,#10，這里#10的代表常數10，指令含義是Regs[R1]←egs[R1]+10。 ◆ 位移尋址（displacement）。例如：Add R1,10（R2），指令含義是Regs[R1]←egs[R1]+Mem[10+Regs]。 對操作數稍做改變，可以得到另外兩種尋址方式。 ◆ Add R1,（R2） Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] 寄存器R2存放的只是一個地址，這個地址的內容才是要取的數據，這相當于寄存器間接尋址。 ◆ Add R1,10 Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[10] 此時第二個寄存器必須是r0，借助于r0（如前所述，r0被硬接位0）提供的0，就得到了直接尋址方式。 因此，實際上微處理器有四種尋址方式可用，提高了編程的靈活性。 (7)數據類型 MIPS體系對于對齊（align）有著相當嚴格的要求，指令必須32位對齊；超過一個字節的數據必須按規則對齊： ◇半字的邊界要與偶數對齊； ◇字的邊界要與mod 4=0的字節對齊； ◇雙字的邊界要與mod 8=0的字節對齊。 如圖4所示，是數據對齊示意圖。采用這種方式對齊可以簡化硬件判斷、控制部分的設計，節省芯片空間，也有利于加快程序運行速度。 2 應用及實現探討 以RM7000A為基礎，配合不同的外圍器件，可以構成多種應用形式。 (1)典型應用 圖5所示是一種較為簡單的應用方式，特點是器件少、可靠性好、整個系統所占空間很小，適合于空間受到限制的領域。因為需要識別和驅動的設備不多，引導和應用程序都相對簡單；通過Dual UART接口可以和主計算機通信，并且在主計算機的超級終端里顯示本系統運行的信息，如圖6所示。 具體應用： ① 可以作為單獨的電腦板，配以適當的外設，構成一個小型的高速計算機系統，用于完成比較簡單且單一的任務； ② 可以根據應用的要求，增加總線的控制芯片和接口，作為一個總線上的CPU控制板（比如：PCI總線、CompactPCI總線），配合傳感器或其它板卡如AD/DA板、DSP通信板等，進行測試、高速數據采集、大量的圖形圖像處理等工作； ③ 用于其它網絡設備中，如大型的路由器、交換機等。 (2)擴展應用 上述應用中，為減小體積，存儲容量受到了限制，也沒有提供類似鍵盤鼠標的對外接口。而人們已經習慣了PC的使用，總是希望能夠以比較熟悉的方式來操作其它系統。對上述應用做適當的擴展，就可以達到近似于PC的結構，應用框圖如圖7所示。 通過增加南橋、超級I/O等芯片，就可以獲得類似于PC結構中的各種接口。具體應用如下： ① 作為開發板，測試、移植在MIPS系統上運行的不同操作系統，開發調試基于MIPS的各種應用軟件； ② 作為一個完整的系統構成便攜式電腦； ③ 利用Dual UART的顯示，或者擴展的VGA顯示功能，增大的外部存儲器容量，作為高速圖形工作站進行圖形圖像的設計、開發工作； ④ 作為網絡服務器應用于Internet和企業局域網中提供各種網絡服務； ⑤ 作為分布式處理系統的一個節點工作站，比如銀行系統中，RM7000A的高速、寬帶能對各種交易請求做出快速響應； ⑥ 由于南橋引入了ISA總線，還可以改制成AT96總線方式，作為CPU控制板應用于工控或其它地面設備中；同樣也可以擴展出PCI、CompactPCI接口作為控制板用于各種民品軍品中。 結 語 基于MIPS的微處理器在國外主要用于高端設備，在國內的開發應用還不是很廣。但是，MIPS強大的功能和它先進的技術理念已經逐漸為人們所認識到。研制基于MIPS的高性能計算機系統，進而帶動相關操作系統的研究、移植，以及各種應用程序的開發，對于提高計算機應用研究水平，提高產品尤其是軍品的性能和競爭力，具有很重要的現實意義。 |
