一種帶Cache的嵌入式CPU的設(shè)計與實現(xiàn)

基于FPGA平臺實現(xiàn)了嵌入式RISC CPU的設(shè)計。根據(jù)項目要求，實現(xiàn)指令集為MIPS CPU指令集的一個子集，分析指令處理過程，構(gòu)建了嵌入式CPU的5級數(shù)據(jù)通路。分析了流水線產(chǎn)生的相關(guān)性問題，采用數(shù)據(jù)前推技術(shù)和軟件編譯結(jié)合的解決方案。給出了控制單元、運(yùn)算單元、指令Cache的實現(xiàn)與設(shè)計。在FPGA平臺上實現(xiàn)并驗證了CPU的設(shè)計。

　　隨著集成電路設(shè)計和工藝技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在PDA、機(jī)頂盒、手機(jī)等信息終端中被廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)具有電路尺寸小、成本低廉、可靠性高、功耗低等優(yōu)點,是未來集成電路發(fā)展的方向。而作為嵌入式系統(tǒng)核心的微處理器，其性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。為了提高CPU的效率和指令執(zhí)行的并行性，現(xiàn)代微處理器廣泛采用流水線設(shè)計，所以，CPU流水線的設(shè)計成為決定其性能的關(guān)鍵。

　　MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)是一種典型的RISC(Reduced InstructiON Set Computer)微處理器,在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。MIPS32TM指令集開放，指令格式規(guī)整，易于流水線設(shè)計，大量使用寄存器操作。與CISC(Complex Instruction Set Computer)微處理器相比，RISC具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

　　1 基于MIPS指令集的CPU流水線結(jié)構(gòu)

　　1.1 指令集的選取

　　設(shè)計實現(xiàn)了指令兼容MIPS系列RISC處理器的指令集。由于MIPS32TM指令集是開放的指令集，指令格式非常簡單，按照指令格式可分為寄存器類型（R-type）指令、立即數(shù)類型（I-type）指令和跳轉(zhuǎn)類型（J-type）指令。這三類指令均為32 bit，而且指令操作碼在固定的位置上。這種特點易于指令代碼的拆分，易于流水線CPU的設(shè)計。

　　指令類型參考MIPS處理器的指令集設(shè)計原則。所有指令的運(yùn)算都在寄存器中進(jìn)行，當(dāng)需要與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時,通過內(nèi)存訪問指令進(jìn)行內(nèi)存和寄存器的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計實現(xiàn)程序中經(jīng)常使用的34條指令,實現(xiàn)指令集按照功能分成5種類型：算術(shù)運(yùn)算類指令、邏輯運(yùn)算類指令、數(shù)據(jù)傳送指令、條件轉(zhuǎn)移和無條件跳轉(zhuǎn)類指令、特殊指令等。

　　1.2 流水線的設(shè)計

　　在基本的MIPS處理器中有5個流水級，其中各流水級定義與主要功能為：IF為計算下一條指令的地址PC，并從指令存儲器讀取指令;ID為對指令進(jìn)行譯碼，從寄存器堆中取出源操作數(shù);EX為當(dāng)指令是運(yùn)算類指令時執(zhí)行運(yùn)算，當(dāng)指令是轉(zhuǎn)移類指令時進(jìn)行有效地址計算;MEM為從數(shù)據(jù)存儲器讀寫數(shù)據(jù);WB為將數(shù)據(jù)寫回到寄存器堆。按照這一流水線結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計實現(xiàn)一種較為通用的MIPS CPU，通過VHDL語言實現(xiàn)，各模塊之的關(guān)系如圖1所示。

?

　　2 嵌入式CPU流水線中的相關(guān)性

　　由于指令以流水線形式并行處理,必產(chǎn)生指令相關(guān)性問題,一般存在三種相關(guān):結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)，引起流水線競爭。

　　結(jié)構(gòu)相關(guān)問題是指由于硬件資源不足而導(dǎo)致流水線不暢通，例如只有一個存儲器模塊時，就不能對存儲器同時取指令和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)相關(guān)問題是指一條指令的后續(xù)指令要使用該條指令的結(jié)果。而控制相關(guān)問題是指轉(zhuǎn)移指令從取指到轉(zhuǎn)向目標(biāo)地址要花幾個時鐘周期，但流水線CPU在每個周期都取指令。

　　解決結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的方法是盡量增加硬件電路資源，本設(shè)計采用哈佛架構(gòu)，使用指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器避免結(jié)構(gòu)競爭。對于寄存器組存在的結(jié)構(gòu)競爭，采用由D-FF構(gòu)建寄存器予以避免，當(dāng)寫入地址和讀出地址相同時，直接用寫入數(shù)據(jù)驅(qū)動讀出總線。數(shù)據(jù)相關(guān)問題可以用數(shù)據(jù)前推技術(shù)得到緩解。數(shù)據(jù)前推技術(shù)對于ALU計算指令非常有效，但對于存儲器讀數(shù)據(jù)指令，如果下面的指令想立即使用其結(jié)果，則必須暫停流水線一個周期。至于控制相關(guān)，可以使用指令重組優(yōu)化及延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)等軟件編譯方法解決。0