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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。關(guān)鍵詞：RM7000A 微處理器 MIPS架構(gòu)
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(lái)，基于MIPS構(gòu)架的CPU在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體娛樂(lè)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。
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??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(guò)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)取（Prefetch）；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(xiě)通道，并且允許指緩和數(shù)緩?fù)瑫r(shí)被訪問(wèn)。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(xiě)共用通道，只有在訪問(wèn)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(zhǎng)32字節(jié)，均為非阻塞式緩存（non-blocking cache），即在緩存訪問(wèn)產(chǎn)生未命中（cache miss），且這個(gè)未命中沒(méi)有被消除的情況下，處理器無(wú)需停頓等待，可以繼續(xù)進(jìn)行緩存訪問(wèn)。RM7000A允許最多有兩個(gè)未命中時(shí)仍可訪問(wèn)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(méi)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(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，每條流水線流出一條指令，在外部看來(lái)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(guò)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(xiě)回，如圖2所示。
??配合指令的雙發(fā)射機(jī)制，每過(guò)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(guò)，這個(gè)流水線對(duì)用戶來(lái)說(shuō)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
?? 為快速將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，RM7000A使用一個(gè)大容量的全相聯(lián)TLB（Translation Lookaside Buffer，如圖3所示）來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。這個(gè)TLB被指令和數(shù)據(jù)共用，稱為JTLB（Joint TLB）；可以配置成48對(duì)或64對(duì)入口，分別映射96頁(yè)或128頁(yè)的虛擬地址。頁(yè)面的大小可配置，從小到大依次為4K、16K、64K、256K、1M、4M、16M。當(dāng)發(fā)生TLB未命中時(shí)，RM7000A采用的替換算法主要是隨機(jī)替換，以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)也提供鎖定特定地址機(jī)制，以便操作系統(tǒng)為提高性能而讓一些頁(yè)面持續(xù)被映射。
ASID——Address Space Identifier，虛擬空間標(biāo)識(shí)符，表示內(nèi)核態(tài)（kernel）、管態(tài)（supervisor）、用戶態(tài)（user）三種虛擬空間。
G——Global，每個(gè)TLB入口都有的標(biāo)識(shí)符。
(6)指令格式及尋址方式
??需要注意的一點(diǎn)是：盡管RM7000A是64位的微處理器，但它的指令長(zhǎng)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(wèn)內(nèi)存。這樣的好處顯而易見(jiàn)：寄存器的訪問(wèn)速度比存儲(chǔ)器快得多，寄存器存儲(chǔ)使得編譯器的效率提高，于是程序的執(zhí)行速度加快；另外，表示寄存器的位數(shù)比表示內(nèi)存單元的位數(shù)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(gòu)架支持兩種尋址方式。
◆ 立即數(shù)尋址（immediate）。例如：Add R1,#10，這里#10的代表常數(shù)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[2]]。
對(duì)操作數(shù)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(gè)地址，這個(gè)地址的內(nèi)容才是要取的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于寄存器間接尋址。
◆ Add R1,10 Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[10]
此時(shí)第二個(gè)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(shí)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(shù)據(jù)類型
??MIPS體系對(duì)于對(duì)齊（align）有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求，指令必須32位對(duì)齊；超過(guò)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)必須按規(guī)則對(duì)齊：
◇半字的邊界要與偶數(shù)對(duì)齊；
◇字的邊界要與mod 4=0的字節(jié)對(duì)齊；
◇雙字的邊界要與mod 8=0的字節(jié)對(duì)齊。
如圖4所示，是數(shù)據(jù)對(duì)齊示意圖。采用這種方式對(duì)齊可以簡(jiǎn)化硬件判斷、控制部分的設(shè)計(jì)，節(jié)省芯片空間，也有利于加快程序運(yùn)行速度。
2 應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)探討
??以RM7000A為基礎(chǔ)，配合不同的外圍器件，可以構(gòu)成多種應(yīng)用形式。
(1)典型應(yīng)用
??圖5所示是一種較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用方式，特點(diǎn)是器件少、可靠性好、整個(gè)系統(tǒng)所占空間很小，適合于空間受到限制的領(lǐng)域。因?yàn)樾枰R(shí)別和驅(qū)動(dòng)的設(shè)備不多，引導(dǎo)和應(yīng)用程序都相對(duì)簡(jiǎn)單；通過(guò)Dual UART接口可以和主計(jì)算機(jī)通信，并且在主計(jì)算機(jī)的超級(jí)終端里顯示本系統(tǒng)運(yùn)行的信息，如圖6所示。
具體應(yīng)用：
① 可以作為單獨(dú)的電腦板，配以適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)，構(gòu)成一個(gè)小型的高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于完成比較簡(jiǎn)單且單一的任務(wù)；
② 可以根據(jù)應(yīng)用的要求，增加總線的控制芯片和接口，作為一個(gè)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(jìn)行測(cè)試、高速數(shù)據(jù)采集、大量的圖形圖像處理等工作；
③ 用于其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，如大型的路由器、交換機(jī)等。
(2)擴(kuò)展應(yīng)用
??上述應(yīng)用中，為減小體積，存儲(chǔ)容量受到了限制，也沒(méi)有提供類似鍵盤(pán)鼠標(biāo)的對(duì)外接口。而人們已經(jīng)習(xí)慣了PC的使用，總是希望能夠以比較熟悉的方式來(lái)操作其它系統(tǒng)。對(duì)上述應(yīng)用做適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，就可以達(dá)到近似于PC的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用框圖如圖7所示。
??通過(guò)增加南橋、超級(jí)I/O等芯片，就可以獲得類似于PC結(jié)構(gòu)中的各種接口。具體應(yīng)用如下：
① 作為開(kāi)發(fā)板，測(cè)試、移植在MIPS系統(tǒng)上運(yùn)行的不同操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)調(diào)試基于MIPS的各種應(yīng)用軟件；
② 作為一個(gè)完整的系統(tǒng)構(gòu)成便攜式電腦；
③ 利用Dual UART的顯示，或者擴(kuò)展的VGA顯示功能，增大的外部存儲(chǔ)器容量，作為高速圖形工作站進(jìn)行圖形圖像的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工作；
④ 作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用于Internet和企業(yè)局域網(wǎng)中提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；
⑤ 作為分布式處理系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作站，比如銀行系統(tǒng)中，RM7000A的高速、寬帶能對(duì)各種交易請(qǐng)求做出快速響應(yīng)；
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(yīng)用于工控或其它地面設(shè)備中；同樣也可以擴(kuò)展出PCI、CompactPCI接口作為控制板用于各種民品軍品中。
結(jié) 語(yǔ)
??基于MIPS的微處理器在國(guó)外主要用于高端設(shè)備，在國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還不是很廣。但是，MIPS強(qiáng)大的功能和它先進(jìn)的技術(shù)理念已經(jīng)逐漸為人們所認(rèn)識(shí)到。研制基于MIPS的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)操作系統(tǒng)的研究、移植，以及各種應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，對(duì)于提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究水平，提高產(chǎn)品尤其是軍品的性能和競(jìng)爭(zhēng)力，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
（本文為縮寫(xiě)版本，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)m.panasonaic.com收集整理）
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