高性能可扩展指令集计算.doc

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1、高性能可扩展指令集计算H.LEE韩国先进数字芯片公司（AdvancedDigitalChipsInc.）摘要在这篇论文中，我们提出了一种新的体系结构EISC（即可扩展指令集计算机），并且讨论了在嵌入式微处理器系统中存储器容量大小和性能的关系。这中结构使用一套高效、定长的16位指令集，使用短偏移量和立即数，并且通过扩展标志位的操作，这种短偏移量和立即数能扩展到32位。EISC指令集的代码密度和它的存储器数据传送性能大大优于现存的结构。因此EISC结构非常适和下一代嵌入式计算机系统。1．序言自从七十年代以来，微处理器已应用在许多嵌入式系统中，这样的产品多种多样，从家用

2、自动化、工业控制到现在的PDA产品和网络计算机[1]。在八十年代，RISC结构【2】的出现使得微处理器能够进入小型计算机应用领域。随后，半导体技术进一步发展，微处理器的操作速度也有了更大的提高【4－7】，并且同时引入了超标量结构【3】。尽管已取得这么多的进步，程序的执行仍然需要从存储器中读取程序和数据。近年来存储器的存储容量大幅增加，读写时间也大大缩短，但是它们的性能增长速度还是不能满足微处理器对其的需要。如：在1980年，DRAM的存取时间为250nsec；到1988年，它的运行频率达到300MHz——快了70倍。但是在同期间，微处理器核却从8M（8086系列）

3、增至到500MHz（Pentium2系列）。如果P2的超标量特性也算在内，它的性能实际上可达到1GHz——快了120倍。很明显，微处理器的瓶颈既在存储器和CPU的速度差异上，又在连接CPU和存储器的总线结构的物理特性上（从位宽和吞吐量方面分析）【8】。并且在集成了存储器、微处理器和I/O电路的微处理器单片系统中，芯片的价格主要取决于其尺寸大小。由于存储器电路（RAM和ROM）占了大部分区域，所以芯片的价格受存储器容量大小的影响。在这篇文章中，提出了可扩展指令计算机结构（EISC）。这种EISC结构有一套高效、定长的指令集，并采取短偏移量和小立即数。它能有效地解决存

4、储容量和带宽这个问题，它们的短偏移量和立即数也能够通过扩展标志位（e—flag）扩展到32位。这样能提高32位微处理器的代码密度。同时还提出了一套方案来解决e－flag对深度管道和超标量结构的影响。在文章中，我们同时也拿MIPS－R3000与可扩展指令集结构（EISC）进行比较，从而说明这种结构引出的原因和实现的方法。2．嵌入式微处理器近年来在嵌入式微处理器这个领域，对总线带宽和存储容量这对矛盾已经做了很多工作。一种方法是按照不同的结构形式进行代码压缩（【9】，【10】，【11】）。如：在文【12】中，提出了一种软件方法【13】。它采用一个代码字来作为一系列指令序

5、列的索引，并用这个索引代替经常用的指令序列。另外一种方法是指在32位RISC结构中所采用的一套压缩16位指令集。ARM－7TDMI【14】是指ARM－7的16位压缩指令集版本；TR4101是指MIPS－R3000（【1】，【14】）的16位压缩指令结构。这些带16位压缩指令集的RISCs结构很复杂因为它们需要与现在的RISC兼容，并且这种版本只能寻址8个寄存器，从而减弱了其性能。1．扩展指令集为了详述EISC的指令集，我们先从现有的一些处理器（特别是MIPS－R3000）的指令集分析开始，为此我们采用了EGCS-1.1【15】、NEWLIB-1.8.1C语言库【1

6、6】、LIBSTDC++-2.8.1C＋＋语言库【17】和各种测试例程。这样分析能得出嵌入式微处理器系统的一般特性（其中某些特性是这些处理器共有的）。如：。16个通用寄存器一般能达到最优。。Load和Store指令使用频繁，并且大部分采用短偏移量寻址。小常数使用频率高为了更有效地支持这些特性，EISC结构使用16位定长指令系统并且通过扩展偏移量和常数来构造32位指令系统。同时采取了两项技术来增加代码密度：构造专用寄存器表来执行push和pop指令；使用硬件互锁来解决深度管道问题（不再需要使用许多NOP指令）。下面，我们分析MIPS-R3000来说明EISC主要体系

7、结构的特点。3.1EISC寄存器MIPS－R3000有34个32位寄存。其中2个专门用来“乘和除”；5个是专用寄存器，用来进行堆栈操作、帧指针和条件码操作；其余的27个是通用寄存器。为了研究代码长度和使用的寄存器数目的关系，我们采用不同数量的寄存器，运用EGCSC/C++编译器产生基于C/C＋＋库和测试例程的代码，并且进行比较。从表1里，我们能看到随着通用寄存器数量越来越少，代码也变得越来越大（我们把使用27个寄存器的例子定位标准，为100），Load和Store指令的使用频率也在增长。由于Load和Store指令使用存储器和总线，它们直接影响发送数据的位宽。我们

8、可以看到当