嵌入式DSP處理器μDSP的體系結(jié)構(gòu) 六級流水線設(shè)計(jì)與指令系統(tǒng)闡述

作者:鐘冬慶 來源:微計(jì)算機(jī)信息 在此特別鳴謝

近年來，我國電子信息產(chǎn)業(yè)和市場高速增長，DSP芯片產(chǎn)品需求量持續(xù)增大，雖然有一些集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)從事DSP系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用，但在DSP芯片的研發(fā)上，只在某些大學(xué)、科研院所做過預(yù)研性課題，還沒有形成自己的獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，因此對DSP處理器的設(shè)計(jì)有不可估量的作用，而體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)的靈魂，處理器的設(shè)計(jì)首先從體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始，DSP處理器的體系結(jié)構(gòu)一直緊緊圍繞著DSP算法和各種應(yīng)用的不斷發(fā)展而改進(jìn)和優(yōu)化，隨著各種并行處理技術(shù)（VLIW，SIMD，超標(biāo)量，多處理機(jī)等）、可重構(gòu)技術(shù)和低功耗體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)，使各種新的DSP處理器體系結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，使得如今的DSP處理器性能不斷提高，并使它們在通信、自動控制、雷達(dá)、氣象、導(dǎo)航、機(jī)器人等許多嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而這些領(lǐng)域都要求處理器是高速、低功耗的。因此我們在對當(dāng)前DSP體系結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展的全面考察的基礎(chǔ)上，考慮到低功耗、低成本、高性能等要求，設(shè)計(jì)了一個16位嵌入式定點(diǎn)DSP處理器μDSP的體系結(jié)構(gòu)，如圖1。

??? 下面就μDSP的總線結(jié)構(gòu)、流水線設(shè)計(jì)、特殊的指令系統(tǒng)、尋址方式、強(qiáng)大的控制部件和高速的運(yùn)算單元等幾個方面對μDSP的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。??

1．改進(jìn)型哈佛總線結(jié)構(gòu)??

??? 由于DSP處理器主要應(yīng)用于各類數(shù)據(jù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)吞吐率都非常大。特別是進(jìn)行乘累加運(yùn)算時(shí)，需要2個甚至3個數(shù)據(jù)同時(shí)參與運(yùn)算，傳統(tǒng)的馮?諾曼結(jié)構(gòu)無法滿足數(shù)據(jù)和指令存取的需求，所以，DSP處理器普遍采用哈佛總線結(jié)構(gòu)。雖然哈佛結(jié)構(gòu)使用采取分開的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，以滿足同時(shí)存取數(shù)據(jù)和取指令的需求，但是這種結(jié)構(gòu)由于缺乏指令和數(shù)據(jù)存儲空間的靈活性，使得存儲器空間不能得到靈活、充分的使用。??

??? 為進(jìn)一步提高性能，μDSP采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，在采用分開的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的同時(shí)，允許數(shù)據(jù)存儲在程序存儲器中，數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器統(tǒng)一編址。程序存儲器的大小為32K*24bit（指令為24位寬），數(shù)據(jù)存儲器大小為32K*16bit（數(shù)據(jù)位寬為16）。??

??? 采用4總線結(jié)構(gòu)，這4條總線分別是程序地址總線（PMA）、程序數(shù)據(jù)總線（PMD），數(shù)據(jù)地址總線（DMA）、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線（DMD）。存儲器采用同步SRAM，并采用流水線方式存取數(shù)據(jù)和指令，完成一次訪問需經(jīng)過兩級流水線。為進(jìn)一步提高存取靈活性，程序總線既可以取指令，又可以存取數(shù)據(jù)，既可訪問程序存儲器，又可以訪問數(shù)據(jù)存儲器。另外，為了減少存儲器的訪問周期，增加了一個片內(nèi)指令Cache，用來存放常用的指令，Cache的大小為64*43bit，可存儲64個指令－地址對。指令Cache采用組相聯(lián)映射方式，并采取最近最少使用（Least Recently Used）替換策略。??

??? 這種改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)不僅提高了指令和數(shù)據(jù)存取的效率，還提高了存儲器的利用率，是一種比較好的結(jié)構(gòu)。??

2．六級流水線設(shè)計(jì)??

??? 流水線設(shè)計(jì)是現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)的核心。流水線的設(shè)計(jì)要考慮諸多的因素，比如流水線各級的平衡、流水線的吞吐率以及流水線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等方面，我們采用六級流水線設(shè)計(jì)，每一級的名稱及需要完成的如下功能：??

（1）Look-Ahead Address (LA)：這一階段程序控制器從各個地址來源中選出本時(shí)鐘進(jìn)入流水線的指令的地址，把指令地址放在PMA總線上，它也用于解決總線沖突問題。因?yàn)镻MA總線可能同時(shí)被LA和AD兩個階段使用，這時(shí)總線發(fā)生沖突，程序控制器就查找這條指令是否在Cache里。如果命中（Hit），指令就從Cache中提前取出，使得AD可以使用總線；如果不命中（Miss），就讓AD優(yōu)先使用總線，程序控制器在下一個周期得到PMA總線。

（2）Prefetch Address (PA)：這一階段把指令地址送到存儲器，開始取指令。由于使用的是同步兩級流水SRAM，這一階段指令并沒有馬上被取出，要到下一周期結(jié)束時(shí)才完成取指過程。

（3）Fetch Address (FA)：這一階段指令通過PMD總線從存儲器取出。因?yàn)榇鎯ζ餍枰獌蓚€周期的時(shí)間完成訪問，即從地址放在總線上到得到數(shù)據(jù)需要兩個周期，所以上一周期開始的取指令到這個周期結(jié)束。??

（4）Address Decode (AD)：指令的某些部分被譯碼，比如DAG操作。如果指令需要存儲器數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)的地址就放在適當(dāng)?shù)牡刂房偩€上。同時(shí)將沒有解碼的部分送到下一級。??

（5）Instruction Decode (ID)：這個階段對指令的其余部分譯碼。同時(shí)也用于等待存儲器訪問，由于取數(shù)據(jù)同樣要兩個周期。?

（6）Execute (PC)：這一階段執(zhí)行指令，設(shè)置各狀態(tài)標(biāo)志位，并把結(jié)果寫到適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器中。??

3．特殊的指令系統(tǒng)??

??? 處理器的設(shè)計(jì)首先從指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始，不同的指令系統(tǒng)也決定了不同的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，μDSP的指令系統(tǒng)非常豐富，可以完成各種DSP算法所要求的功能，大體來說，需要設(shè)計(jì)以下4大類指令：程序流控制指令，數(shù)據(jù)移動指令，運(yùn)算指令和多功能指令。必須滿足以下要求：
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（1）24位指令寬度；??
（2）高密度指令編碼；??
（3）提供多功能指令，使得一條指令可完成多個操作；??
（4）支持雙字指令；??
（5）提供零開銷循環(huán)指令；??
（6）與主流DSP（ADI公司的ADSP219x系列）兼容。??

4．靈活的尋址方式??

??? 由于DSP算法的獨(dú)特性，一般通用處理器的普通尋址方式不能滿足要求，所以DSP處理器一般采用許多特殊的、靈活的尋址方式。μDSP中主要有6種尋址方式：直接尋址、前變址尋址、后變址尋址、循環(huán)尋址、位反尋址、分頁尋址。要實(shí)現(xiàn)這些尋址方式，設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器（DAG），如下圖2，考慮到μDSP可以同時(shí)對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行訪問，設(shè)計(jì)了兩個DAG，它們的不同之處在于：DAG1只能產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲器地址，但有位反功能；DAG2可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲器地址也可以產(chǎn)生程序存儲器的地址，但是沒有位反功能。它有4個寄存器組：索引寄存器組（I Registers）、修改寄存器組（M Registers），長度寄存器組（L Registers）和基址寄存器組（B Registers）。每個寄存器組有4個16位的寄存器，可以通過DMD總線進(jìn)行讀寫。I寄存器組存放訪問存儲器的實(shí)際地址，M寄存器組用于保存地址偏移量，L寄存器組和B寄存器組則是專門用于循環(huán)尋址的，前者保存循環(huán)尋址中數(shù)據(jù)塊的長度，后者保存循環(huán)尋址的首地址。圖中虛線框中部分為DAG1所獨(dú)有。??

5．強(qiáng)大的控制部件??

??? 控制部件是完成整個DSP處理器各個部分之間協(xié)調(diào)工作的重要部件?？刂撇考饕?fù)責(zé)指令地址的產(chǎn)生、流水線的控制以及處理各種相關(guān)、異常、中斷等工作，以保證數(shù)據(jù)通路的正常工作?？刂撇考娜蝿?wù)是非常艱巨的，沒有一個功能強(qiáng)大的控制部件，整個DSP處理器將無法正常工作。μDSP的控制部件按照功能可以大致分為指令地址選擇邏輯、流水線控制邏輯、循環(huán)控制邏輯和中斷控制器等幾部分。??

6．高速的運(yùn)算單元??

??? 運(yùn)算單元是DSP處理器的執(zhí)行部件，是實(shí)現(xiàn)各種DSP算法的核心部分。所有算法的實(shí)現(xiàn)都是由運(yùn)算單元的基本功能組合而成，所有的其他部件如控制部件、數(shù)據(jù)通路都是為運(yùn)算單元服務(wù)的，為運(yùn)算單元提供各種控制和充分的數(shù)據(jù)。μDSP有3個功能強(qiáng)大的高速運(yùn)算單元：算術(shù)邏輯單元（ALU），乘法累加單元（MAC），移位器（Shifter）。??

??? 處理器的設(shè)計(jì)是一個非常復(fù)雜的工作，體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)的靈魂，設(shè)計(jì)者面臨的任務(wù)非常復(fù)雜，要確定處理器的應(yīng)用目標(biāo)，針對應(yīng)用目標(biāo)需求判斷哪些特征是最重要的，然后在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高。??

??? 本文的創(chuàng)新點(diǎn)：主要對μDSP的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對哈佛總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，定義了六級流水線的名稱和功能，指出了特殊的指令系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的要求，給出了μDSP的體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，并詳細(xì)介紹了一個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器的設(shè)計(jì)等。
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　　作者簡介：鐘冬慶，男，1971.12，漢，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

　　通信地址：江西省贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系