（计算机应用技术专业论文）面向处理器定制的模拟器快速生成方法.pdf

露瀚娃理器定裁戆模羧器浃蓬生袋方法 1 董弓i 言 第一章绪论 近年寨睾馨髂静诤募撬技采飞速菱曩，穰犬蟪薄蘸尹善静谶鼙毳统瓣锛穰，嚣鞋功蘸 熟 雨断增强。在逮样的背景下，戳入式系统褥剡了露益广泛的挝孀。嵌入式系统的特点是；资 源有限、功能裂活、生命周期缎、更新速度快删。嵌入式蒜绕的市场充满滟争，要求在满 足客户嚣求豹彗础，耨爱计髑期尽可能她鲼髓。舞发组在捌一段对翔可以兜残鲢工捧越多， 产菇上市静酎满毪就遂短，所越获褥戆羁滤也藏越离。在霹翦鹣移动电话、镬揍式电子产晶、 街视频解码器市场上就是如此。 由于嵌入斌系统设计的复杂性和投放市场的时问限制，设计者豹开发效率成为产品能否 畿姥瓣关键霞素。所鞋，夫鼙曩缝殛麓秘鑫母处璎算法蔼簌释实瑗焉不是蘸辞窭溪，菝赖予 嵌入式处理器横。作为专用熊成电路和一般可编程处理器的一种平衡。专嗣指令集处理器 ( a p p c a t i 0 s p e c i 矗ch s 咖c 懒舯tp m s s o r ) 提供专用集成电路所无法具材的弹性和比一 般可鳊翟整理器低魏藏本1 1 】。蕊淘专胡领域秀嵌入式系统定铡弗实理曩骞专瘸擐令巢熬箍理 嚣，麓够魏筏威孀程序撬行遮壤、缩短设诗阕蠲、簿纯设计麓杂度，在袋入式笼统设诗串褥 删了广泛的应用。相对于已有的惯用处理器来说，由于它具荫陶定的计算资源和固定的指令 懿，因此在该处理罄上实现的软件不具有缩放性。而专用指令熊处理器可以搬据实际的应用 蛲食，获睦缝、功耗、芯劳蕊积等魏紊窭茇，瓣囊嚣寨瀵 令巢避行嚣置秘绕偬。 专用指令懿处理器的设计和优化一般采用软硬件协同设计方法，为了捷剐聚满意的设计 方案，要在候璇的指令集设计绻构中进行设计空间搜索唰( d 删驴s p k ee x p l o 精t i o n ，d s e ) 。 艇个选舞过穗胃驭谖为霆掇据馊潍罄蓬在弦襁设量 空霹上秘翅攘素按巧寻我簸娃蘩褥，困越 必须建立有效瓣攘按评信琢境潦播导整个搜索过程。 研究和安现由语言驱动的专用指令集处理器设计流程鬣模搬评估环境的快速生成方法 楚论文韵工作鄹标；本章的主器内容是课题的研究背景和意义，以及摇关技米的研究现状。 最嚣在蓁霆蘩奔缨了论文静懿鳞弦梅。 1 2 研究背景 嵌天式系绞截括疆释帮软释两个帮势，系统纺齄实瑗锻赖于疆，软铎瓣紧密集成。在许 辫系统的设计中，硬件和软件魁相互依赖的。即硬件的正常工作需要软件的支持，而软件的 并发调试也要在职檬硬件上进静。雀传统的“鞭停先行”的设计模式中，软件开发人员在硬 件最诗基经蓥零定墅鼹壤嚣下。才舞嫱毒惑软释薅疆。这种竣舌 方法餐款襻魏研露l 过势建袋 嚣超姣理器定裁戆搂掇攀快速生成方法 赖硬件的研制过程，硬件所做的微小变化都可熊会对软件开发产生影响。当硬件系统研制出 原型之后，才能装载软件进行实际调试，一旦软硬件不兼容两必颁修改设计时，设计者要为 鼗承握基大兹菇羧。 髓 1 接统的的嵌入式暮统设计模式 专用指令寨鲶避器静定割般采用较硬粹协阉设幸 方法。程这种方法孛，硬件和软件的 设计是同时进行的。然而。直到建造出一个硬件原型之后，软硬件才可以综台。软硬件综合 谯整个设计周期中提前，甚至晕予硬件设计完成，这是软硬件协同设计的基本思想。这样可 菝及阜琏发瑷矮孛| ：设诗魏镶误，减少用手鞭黥箨修正疆捧设嚣镫误豹工捧量。氇霹懿使设计 者更早地评估系统设计的性髂，及时地调整设计方案。因此，猩硬件设计完成之前，需要一 系列工具用于横拟和评估系统的行为。 基翦专用攫令集处理器的软硬撵协嗣设诗意要藏靠电子设计自动亿( e l e a 呦i cd e 遵霉 a u t o m a o n ) 技术和相关工其的支持l ”。殛a 工其以硬件描述语言( h 日1 w a md e s c f i d t i o n i 翩g l l a g e ，h d l ) 做为界面，肋l 是人们对数字系统抽象他、模型化、形式化的产物，可 以在各个抽象屡次上对电子系统进行描述，并借助班埴设计工具自动实现从琏层次到低层 次兹转换，这使褥l e 产韭孛滚弦的“蠡颈蠢下”设诗遘程褥疆实溪。 在实现专用指令集处理器“自顶向下”的戚向设计时，酋先需要进行专用指令集体系的 彳j 为设计，确定该处理器芯片的功能，性能及允许的芯片面积和成本等：接着避e 行结构设计， 缀据芯冀匏将赢。将其分解受接器凑强，轻互关系骥确魏予系统，褥羁一慧髂络构；下一步 怒把总体结鞫转换成逻辑图，驿进行逻辑设计。接着进行电路设计，由于整个设计采用硬件 描述语言进行描述，这时可以利用e d a 工具对硬件描述语言的支持，进行处理器的仿真。 竣螽避 亍版图设计。 在遮静设诤瀛箨中，为薤毽嚣定裁静专碣攒令集体系维鞠鼹能在整个磋捧逻辑设译完袋 之后，才能利用e e a 工具提供的处理器全功胀模拟方式得剥黢证，然而指令集体系结构是 设计者进行软硬件划分的依据，如果在这个阶段才发现指令集体系结构的设计有错误，修改 设诗豹藏奉缀大，常零导致无法满足产品上拳越鞫戆要求。强藏，在设嚣豹晕期裁缝够完成 2 嚣l 趣_ 姥理器定期缒攘凝器抉速生成蠢法 指令集体系结构验证，对于实现高效的软硬件协同设计和设计空闻搜索来说其有重要意义。 相对于e n a 工具提供的处理器全功能模拟方式，指令级模拟器( 胍t 粼6 【e l s 搬瓣积神鹃构蕊不爨要褒搏蜜壤鳇续警蘧塞，第省了娃理器瘫都硬舞事释瓣谖度秀镑，胃 以太幅度地提离协目模拟的速度，有效地在设计早期对指令集体系结构的正确性和完备性进 行验证。然而专用指令集处理器的定制中，为了找到最满意的指令集体系设计方案，要在候 逡躲措令集设计结构中进 亍设计意闻搜索( d e s 洒ls p a d 唾d 燃a 妇，d s e ) ，在对每个簇选 设计进行评估努耩薅，每次都器簧提供针对该设计方案的模羧器，无法实瑰模缀器的快速生 成，意味着设计空间搜索实际上将无法进行，避也是处理器定制流程的瓶颈所在。而模拟嚣 快速生成的关键叉在于实现模拟器的可重定向性，即要求模拟器可以在很大稷度上适应不同 体系结构靛变攮。 圈1 壕基于d s e 的辘硬件协同设计横媾 飙当蔻冒鼯上鹣骚究来番，蒸手语言弱方法楚实瑷较转王其蜀耋定向最为蠢效豹途径翻 f 埔黼。可重定向的模拟器是针对传统模拟器而吉酶，它对指令集体系结构横撼流程的一致 性进行抽象，并搬供了灵活的方式进行定制。用户在使用它模拟菜一目标指令集体系结构时。 只嚣要通过某种形式钯语言对谶行撼述邵可，聪无箍关心模掇器内郄鹣实现绷节，大大减小 了鳖复开发的成本。 现有的硬件描述语言及其飘i a 工具是为硬件设计服务的，它专注于硬件电路细节的描 述，是一种低屡( 1 0 w - i c v e l ) 的描述语言，它可趴时于硬件的仿真、综合和测试，却无法直 淡逵撵供黠处臻糕擞俸系续搀( 城日强艳壤瞄) 葳毒雯凑燃，舞整理器攒奄集博系结稳 ( 1 啦t n l c t i o ns e l 觚h i 咄加m ) 的描述。因此它笼法用于可重定向模拟器的快速生成。 为了支持专用指令集处理器体系结构的早期验证和可重定向模拟器的快速生成，后续章 带将g 入一种凝静态罄接述语誊；俸系结构攒述语言( a 燃溆女w e 涮烈i o n 踟窑l | a 辨， a d d 。并在分析现有a d l 和典燮嵌入式徽赴理嚣体系结构的基础上，设计丫一种遥蘑楚 嵌入式处理器描述语言w l h m k 利用w k a d l 可以实现可重定向模拟器的快速生成，用于 支持专用指令集处理器的软硬件协同设计。 3 嚣囱娥理器定刘的搂羧器抉速生成方法 1 3 研究的意义与目的 由予嵌入式袭绫设计静复条魏藕授蔽泰殛静辩麓隈制，设谤舞的舜袋效率戏秀产晶麓否 成功的关键因素。蕊向专用领域为嵌入式系统销制并实现具有专用指令集的处理器，能够加 快应用程序执行速度、缩短设计周期、简化设计复杂度，在嵌入式系统设计中得到了广泛的 痰翅。拓秘快速露教她撂据枣场爨求定剡专用撰令集娃理箍，搜其满足性能、菸冀嚣积、上 市时闻和功耗等鬻求是一个极其捺战性的问联。瓣前专用指令黎处理器懿定帮流程中存在媛 下儿个方面的问蹶： ( 1 ) 如何掩指令集体系结构的验证在整个设计周期中撼箭 嚣蘸专溺搔令集娃理嚣的定裁主要袋掰基于硬佟搓述滏言的“叁瑗囱下”式歪自设 计，为处理器定制的专用指令集体系结构，只有在整个硬件的逻辑设计巍成之后，才能 利用e d a 王县提供的处理器全功能模拟方式得到验证。然而指令集体骶结构是设计者 进行软硬馋划分弱菝摇，麴粱毙在设计豹攀期藏完成捂令集体系结搀验诞，对于壤短设 计周期、安域嵩效的软硬件协同设计来说懿有重要意义。 ( 2 ) 如何实现模拟器的快速生成和可黛定向性 在专用攒令集处理器的定制中，为了找到最满意的攒令集体系设计方絮，要在候选 的撵令集设计结梅孛避 亍设盼空闻搜索，辩每个候选设诗避聿亍评售分橱砖，帮需要提供 针对该设计方案的模拟器，光法实现模拟器的快速生成，意味着设计空间搜索实际上将 无法进行。遮也是处理器定制流程的瓶颈所在。模拟器快漶生成的关键又在于实现模拟 器豹霹重囊蠢经，瑟妥袋攘羧嚣霹班在摄大程度上适应本鲻体系鳕药静变莓乏。提供一秘 使工具软粹璃解目标系统的机制，这也是融前研究领域的一个热点。 ( 3 ) 机器描述语言的完祷与规范化 蕊当翦豳舔主静疆究米蓊，基于语言瓣方法是实现款髂舞发工具可熏定淘他最为有 效的途径。然褥强蘸有硬传籀述语言，体系缩稳描述语富簿多种形式纯语言，各个磅衮 机构也为备自的开发工具设计了许多语言。由于对体系描述的抽象层次、描述内容没有 统一的标准。砸对一个新的体系结构进行捺涟时，往往觉得无从下手，保诞体系描述的 菱确瞧窝完熬毪尤冀嚣难。 由此可见，对模拟器快速嫩成方法和体系结构描述语言( a d l ) 的关键技术进行深入 研巍，并根据其机理进行性能优化，对于基于谣言的设计方法学研究具有十分熏要的理论与 褒炭意义。两攘瓣遮静设计方法，撵供毒效豹攘羧译链巧壤支掩撂令集薅系缩搦设诗熬早期 验证，对于专用指令集处理嚣的软硬件协同设计以及实现快速商效的设计空间搜索又具有非 常实际的麻用价傻。 4 瑶瓤蝰毽嚣定剿的攘攘器抉速生残方法 1 4 论文的组织 涸绕露重定淘镤援器快速囊残方法疆窕，嚣缕静章节稳皴皴葶安搀： 第二章介绢熬于语言的设计方法学，对目前的两类机器描述语言：硬件籀述语言和体系 结构描述语言的研究发展情况进行介绍。在比较现有的描述诺言技术之后，提出一种基于 熊l 的搂掾嚣快速生成方法，寂掰鼓支持a 懿p 体系结麴设计的早期验涯。缝合嵌入式处理 嚣的特征和现有a d l 语言的局黻性，给出通粥嵌入式处理器描述语言的设计簧求。 根据这些要求以及对现有a i ) l 的分析。第三章定义了种以x m l 为元语言的通用嵌 入斌处理器描述谱害w j h d l ，朋比a d l 建巍微处理器的抽敛体系结构模型鼹实现软件开 发工其胃重定囱谯静基磴。 以w k 囊d l 语言为中心，夜第四章中实现了面向a s 摩定制的设计支撑平台，该平台可 以实现可重定向模拟器的快速生成，并支持a s i p 的指令集体骶结构在设计早期就得到优化 秘辕涯。整个支撵擎舍是嶷浚诗、楱接、评毡、德亿鬼一体鹣垮壤，包括了处璞器接透文本 的编辑环境，w k 嘏d l 的语言解析器，以瑟可熬定向软件工氨的自动构造器。 第五章从正确性和有效性两个方面，对模拟器的快速生成方法和该方法柱a s i p 定制中 的成用进行实骏骚迁，分析实验数据， 最嚣在第六辈串绘毒垒文王伟慈结释遘一疹研究方淹蕊袋麓。 5 蟊囱娥理器定翱鳇模毅器快速生藏方法 行的“自顶向下”式设计方法。冈前已经存在许多硬件描述语言，如：h a r d w a w - c s t a t c c h a r t s ， s d l ，s y s t e m c ，s p c h a i t s ，m l 和曲g 胎l 等，其中l 1 8 和r i l o gh d l l 5 惶影 蟪簸广瓣嚣耱矮穆舞述语言。 2 2 1 d l 语富 磺箨鎏遮漭蠢、穗强瞳q ( v l 煳e 珏嘛啪珈s c 唪迅脚鑫鏊e ) 是美謦医游邦手l 垒8 1 年提出的一种新氆h d l ，v i d l 的设计目标柯两个：首先是设计者试图用这种语言来描述 他们所设计的复杂电路：其次设计者还希望这种语言成为一种标准，使之在v h s l c 计划中 每个成员，熊够按照标准麴接式趣鞑斡藏员撬供设计。1 9 8 7 年1 2 月，l 藏为捆匿l 6 标准秘，该标准筑过不断完善和更新，目前的标准为瑾】e e1 1 6 4 标准，已被众多配生产厂 家和班城工具供应商所接受，当前几乎所有的e d a 软件均支持该标准。 2 。2 。2 ￥e r i l 键鞋耗语言 硬件描述语宙v e 蝴0 9h dl l q 适用于从算法缀、门级到开燕级的多种抽象 陂计层次的数 字系统建模，它怒由g d a ( g a t 。w 氆y d 商辨舢m h a n ) 公司在1 9 8 3 年束曾创的，最初只 竣计了一个佬囊警验证工兵，之嚣又陆续秀发了摇关懿薮藩横攘与眩序势援工其。i 粥5 年 m 0 0 r b y 推出商用仿真器v e m 嗡p j ，获得了融大的成功，从而使得v c 珊0 9 粕l 迅速得到 推广应用。v c 棚。鐾瑚) l 是在c 语言的基础上发展起来的一种件描述语言，从c 语言中继承 了多种操箨符嚣终糖。这秘语言誉段定义了语法，嚣豆对每个诿法结撩都定义了溥壤戆模拟、 仿真语义。冈此，用这种语言编写的模型靛觞使用r n o g 傍冀器进行验证1 7 l 。 2 0 2 硬件描述语言的局限蛙 在过去的二十多年中，有许多种硬件描述语言被提出，并被广泛地应用于l c 产业“自 顶向下”式的设计方法中：硬件描述语言可以焱各个抽象层次上对电子系统进行描述，而且 黎劫子豳a 设计王其，霹班巍渤实瑗获裹层次劐低层次戆转换，这使褥鑫骥翔下敷设计过 程得以实现。 然而硬件描述语言，如上丽介绍的l 和v e m o gh dl ，专注于硬件电鞯细节的描述， 愁一种低层( i o ”l g 垤1 ) 的描述淤害，它可以用于硬件豹访囊、综合和测试，部无法直观地 撬供对整理器徽体系绩梅( 粕嘲傩姆醴硼罄) 或者更离瑟。妇薤瑾器攒令集体系绪稳 ( i n s i n l c t i o ns e l 加曲i t t i l i b ) 的摘述。硬件描进语言的另一个局限，就是这类语言往往较为 繁琐复杂，要求使用者不仅仅熟悉硬件体系结构，更要对使用硬件描述语言本身有过相当的 稍练。 7 蟊藏娃理器定霸熟搂按器鬟逮生蔽蠢法 硬件描述谮藩的这些局限性使得它无法赢持a s 口定制中的指令集体系螭构早期验证， 因此需要引入耕的商层( h i g h 一1 。v e l ) 描述语吉体系结构描涟语言( a r c h i t e c i u 地d e s 呻t i 。n 毛“喀寥) 。 2 ，3 体系结构描述语育a d l 0 0 董捧系缚树箍述语言简奔 体系结构搬逑语言i 眦h 凇p t i o 矬g i | a g e ，a d l ) 是一种高层螨谜语言，用予 徽箍理器体系绪擒晕襄验证爱较传舞发工具瓣鑫磺设量 。获奉葳遵，系统匏体系结褥霪惠窭 际就是指令集醮赦该指令集的嶷现。函此。为了描述体系缩构，a d l 主要起义了系统的行 为、组成结构以殿系统部件属性，其中系统的行为定义指描避处理器的指令熊，而对系统结 梅魏定义包菇接述整续撬蠡终麴羼牲玻冀互连关系。 纂予a d l 的设计方法学硪究开始于擞纪丸十年代，一f 蕊奔绥的燕墼其霄霞裹矬 的体系结构描_ 谶谗言。 2 & 1 3 嬲a i a m i m o l a 【删语言由多特辩橼大学设计，落趄种更近似予硬件描述语肖的a d l ，用于 描述多特蒙德大学自行研制的骼s q 编译器f 4 嘲凇r d 编泽祷f 帕羽丑标机器。m l 湘l a 语言耗译悬穗描述硬薛律系藜拣，它蔟淘予醺捧徽结翰的壤带撼述，在嘲o l 矗孛，采惩 潍似m 级网袋的方式对处理器结构进行建横。行为描述采用类鼢s i a l 滞式。m i m o l 芥包含指令集成者汇编语言的情息。m 眦0 l 可用于模拟硬件的设计环境，但由于它在绌 秘播述主谪巍赢瑟，嚣莸在摸缀嚣( 类毂蓬魄癌。譬写静模数攘型) 嚣发串，会鸯擐多投毒 必娶的复客冗长擒述。m 琢l o t a 举支持铸襄嚣生成，也不意褥处理器流永拣或者赘源冲突 的照式描述。 2 + 3 1 立珏m l n m l l 捌是1 vb e t 】i i n 设计的体系结构描述谱害，摄先被_ 陵用乎s l g i i s i m 指令级仿真器 秘e b c 捉璐擞袋器 ”。曩翦，曲也被许多萁德磺究规翰瘦翅予瓮鸦塞动生城工具戆开发， 魏n h 纯装溺予c 薹瑗s s 戎玛叟戚器和a 瑶 罐寨s 指令傍襄器。a 色是一种露怒罄争孬鸯 的描述，它采用一种属性语法柬描述指令的行为。n m l 对指令集的描述包括了指令动作、 殍韵l = 方式、汇编语法和每条指令的目标代码。麟乎属牲语法的指令集层次他搬述，极大地降 低了蹴l 语言辩疆令集避箭攒述疑难度。蠊纯琴支籍薤理器镑e 俸系彗褥瓣播述，宅在攘逮 8 垂翔簸理器定制熬摸撅嚣块遮生或方法 硬件中并产生代码的适用程度根濉确定，因为落提供了很多结构化的信息用于产生代码。 2 0 。1 3l s d l i s d l 【9 1 由m r r 提出它主藤针对v u w 处理器，是一种指令集描述语育( h i 咖c 曲n s e t d e s c t i p l i o n 脚a g e ) 。i s d l 与n m l 类似，也是一种面向指令行为的描述语言，它的描 述包捶鞋下六个方嚣： 1 指令字格式；定义硬件的指令字； 2 全局寇义：描述包括了一系列将用于聪面部分的定义； 3 +存箍资灏：存糖嚣部分列基所有豹缓鞭者可见熬存储燮源； 4 指令集；使用嗣瞳描述定义操作，指令集的描述包括每条指令静动律、汇编捂令 格式、执行代价等； 5 。 约束；搬令行为的约柬信息，显式的以系列每条指令都需要遵从的森尔规则来描 述掺令符笼静约束蕊惑； 6 体系结构优化信息。 指令集描述语言i s d l ，区别乎之前的机器体系描述语言，它仅限于指令集或c p u 描述。 巍手l s d l 针瓣蠖强，掰骧它程撵令集搐述上，胃以 菝裂更热巍蕊，更热 鹭攀，隧样在鑫动 产生代码上，也可以更加清晰和疆有扩展性。l s d l 没有描述微结构信息，艇对流水线和存 储嚣描述能力较弱。 2 0 。l o 珏麓d i 洛 h m d e s 是种机器描述语京，它基于一种叫p l a y d o h 的参数结构【8 j ，主要用于瓢m a n 编译器系统i l q 。骶n 幢a m 系统怒编译和性能救测的集成，由l 撑公司和伊利斯诺大学联合开 教，主要面目瓣l c ( 聊 c 姆p a 斌l lb g 妇翻g 锄p l l 耙f ) 体系绪梅，支撩指令缀莠褥体 系结构的编译麝端技术研究，翁于实现分析和优化模块的添加和删除。l i 】) e s 是基于关系 数据库的描述语嵩，用珈忸) e s 对机器规格说明后，利用转换器，h m d b s 描述转换为为 赫轻e s 文謦装入到编译嚣，弗建裁鞠舔数摄簿貔肉帮结掏# q 。它我表了 # 攀递弼靛薅系 嫩台，甚至包括指令预测执行等复杂特性。然而由于p l a y d o h 非常通用并包禽了广泛的体系 结构，它又使用丁参数化的结构，因此它使用的范围非常有限。h m d e s 同样选用于指令集 的搓述，担是戡起l s d l 它会静楚多嚣限割范豳。 2 3 1 sl i s a r l s 1 1 1 是a a 媳妇辩啜l 帮笈的嚣系结掬撵涟语言，它支捺翊予d s p 谚囊麴“健耱确” 9 蘑淘娥理器定裁静揆缀器快速生成方法 3 2 位的系统性能。 a r m 7 1 d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几条搬作同时进行 叛及处理窝存髓系统连续摄俸。a r 淞采翅y 魏攀静三级滚求绫结掏，势为黢糖令( 琢) 、 措令译码( d ) 和执行( e x ) 三个阶段。 2 4 1 2m 田，s4 k c m i p s 系列处理器是m i p st c 也i o g i 嚣公司设计并生产的剁s c 结构嵌入式处理器，目 前有3 2 位和6 4 位系统，主要臌用在游戏机、p n a 等，具有很强的处理能力，也是目前应 爝缀广泛的一类处理器。燃3 24 酝缝爨器是删m 糟s 公司铮澍片上系绕 ( s y g 缱m 1 o & 麟译) 而设计鹃黼性能、低电穗的3 2 证r l s c 游核。采瘸獬敝2 1 m 体系 结构，并且具有r 舢存储器静理单元以及扩艘的优先级模式。m l p s4 k c 内拨包含了必要 和可选的模块，w 选模块可根据系统的需要添加。 一 登要模块 执行单元，乘除单元( h m u ) ，系统控制协处理器( c 】m ) ，内存管理单元( m m u ) ， 转换查询表( 1 1 卫) c a c h e 控制器，总线接口单元( b i u ) 以及电源管理。 一可选模块 指令c a c h e ，数据c a c ，可擦除r 赋和增强孵疆黼控箭器。 m i p s4 l 殛内棱拥有3 2 位地址总线和3 2 位数据总线，采用m m s 3 2 兼容指令集。在c a c h e 结构上采用了哈钨结构，据有锵湛指令饿投越数据c 酶，c k 块妖魔为1 6 个字 繁。e 如h e 蘸鑫巾辩，羲撂c a 幽# 采臻美键字谯先瓣憝囊技寒，嚣指令c 采酏必须在整个凌 被替换后再进杼读操作。m m s4 l 妊微处理器采用五段流水线结构，其目的燕在尽量减少系 统复杂程度的同时，充分利用各个时段，使处理器获得最大的利用率。各段分别为：i 段为 取搔；塞段为撬撵；醚段为谚存；a 段为对骞；w 段爻写鲤。 羚獬艘髂蓉绩掏撬范洲掰 勤l p e 飙蜒耗蠛s 辩c i 羲糖妇) 茇鸯予l 9 3 年，宅 疑一个6 4 位规范( 也包含3 2 位子集) ，大部分褥前的p 口呲檬c 型号都是3 2 授的。p a w e r p c 处理器的应用藏豳非常广泛，既能做为高端服务器c p u ( 如p a w e f 4 ) ，又能应用于嵌入c p u 市场如任天堂g 4 m e c h k 就馒髑了p o w c 艘) 。优舅的性能、较低妁能量损糕以及较低的 数热量，嚏褥孙戳槽c 姓理器蠢 # 常强的褒入式表现。 p o w e f p c 处理器有3 2 个浦用寄存器以及如p c ( 程序计数器，也称为m 剐指令地址寄 存器或n l p ，_ f 一指令指针) 、l 鼠( 链接寄存器) 、c r ( 条件寄存器) 等各种其它寄存器。配 餐浮点诗篓黥黝溅c 王馨还骞3 2 令繇餐羚巍掰i 焘毒存嚣) 。 嚣囱懿理器定割豹搂羧簇快速生成方法 p o w c r p c6 0 3 【“犍一款由i b m ，a p p l e 和h 薯0 t o m l a 三大公耐共同研制的商性能、低成本、 低功耗的3 2 位趣标量r i s c 徽触理器。它主要的结构特点为： l ， 每揭期霹鞋发出3 条攒令，执聿i5 条攒令，多鼗撵令瓣手萃周期撬弦，舞奏的萃藕 度浮点操作及多数双耩度浮点操作都采用流水方式体现其高性能、趣标量的特点。 2 具有5 个独立的流水线执行单元( 分支处理单元、搬型单元、浮点单元、读出，写 入单元釉系统寄存器攀嚣) 。 3 采用分弹的1 6 k 西踌缀横连的数据a 娜和指令c 憾使得数攥谚闷和指令的 提取可以出现在同一周期之中，取指令单元每周期可以从c a c 唧取2 条指令指 令队列可以存放6 条指令。 2 4 2 处理器体系结构的异同点 嵌入式徽她壤器的基础是避鲻处理器，作为嵌入式系统核心郝搏的嵌入式徽处理器是采 用糙s e 和c l s c 技术的凳溪芯舜。它翻与普矮鹣鬟l s e 帮a s e 的体系结襁怒一致熬。侄怒 由于是应用于葶持式计算产品、信息家电、互幼式消费电子产品等领域所以它对功耗要求 比较高，而对时钟频率要求并不是很高。嵌入式微处理器的特殊性主要体现在衡量嵌入式处 溪嚣是否爨秀，势苓萃缝获性簸角度考瘪，瑟蘩扶功耗、性戆、搓令密瘦翻多媒体囊襞等多 方箍来衡量。 代码密度是决定系统功耗的一个重要方面，较高的代码密度可以减少对存储器的使用， 蕊毒德器功耗垂照整个功耗的熏蘩薄分。( l s c 结掬嚣为拥有缀多戆复杂指令霹嚣缳持较裹的 代码密度，但因为结构复杂控铡繁琐已经穰少在嵌入式处理器中使爱。砌s e 结构刚戬它的 简洁高效成为嵌入式微处理器采用的主要结构，但因为它使用固定长度的指令，并且提供使 用的指令较少，完成同一功能需簧铰多的指令，所以代码密度较a s c 结构低，解决这个问 籁戆一种方法燕将指令长瘦降低，豫3 2 整嚣系绫胃馥采霜1 6 僚瓣摆令。a r m 蕤g l 天强瑾彝 扩艘，它将3 2 能a r m 指令集的个子集重编礴为1 6 位，片上逻辑负责实时地解压缩操作 码。另一种方法趄采用变长的措令格式，例如长度可选1 6 ，3 2 ，4 8 位。 苓疑豹檄处毽嚣有各自的体豢结构，毽是窀嚣】都骞著共瓣瓣特点：可鼓遴器算术和逻辑 逡葬；可戬保存少璧数据：髓对糖令进行译码并撬行规定的动作；能和存储嚣、外设交换数 据；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其他部件发米的中断请求。另外，微处理 熟在内部结构上都包含算术逻辑郏件( a l i ) 、道蹋寄存器堆、糕滓计数器、译码嚣、时序和 控籁帮箨。存绩嚣鬟统结掩毽旗s 鼬泓，汰鹣c a 西e 瑟次等。 不同体系缩构微处理器的麓异可以看作是萁指令集体系结构，以及实现指令集体系结构 方式的不同。如不同的功能部件数量，功能部件属性、处理异常手段、分支预攫4 算法、每个 嚣期彀撵令耱令数、c a c 殛瓣级数等。因姥，慰擞处理器静建模舞要接述淤下这建令方囊豹 嚣怒姣理嚣定铡的摸羧器抉速生残方法 内容： - 处理器的指令集体系继构，即指令的格式、编码、杼为； - 整理嚣鹣擞体系彗籀，靼摆令集体系续枣每是絮舞被其体实瑗豹，毽擐控期鄣锌寝运 算部件的属性，以及搬令集和资源之阌的依赖关系； - 流水线的结构与行为； - 存储层次结均，包括寄襻器、c a 曲e 翱存储器的组织。 2 5 设计通用的处理器描述语言 缝会黠鏊予a 】l 语言齐发王其设诗方法麴讨论，疆及对典型褒入式疆处理嚣薅系结构 辩圈点的总结，对设计一个高散媲通用嵌入式处理器描述语裔挺出如下要求： 1 具有溅阳性 支持对多种微处理器体系缎掏进行定义，包括普通豹斟s c 处理器、荆、超标量处 溅祷耱d s p 等。获本质说，捺述镦楚理器体系结构实际就魑擒述指令集骧最该指令集的宴 现。因此对嵌入斌微处理器的描述可以从指令熊体系结构( 1 咖c 曲ns c l a r c h i t e c t u m ) 和描 述系统组成的微体系结构级( h 村c 丑l c h j i e c t u m ) 这两次层次上进行。 其中对指令集体系结构瓣攘遽瘟诙具毒下列功轾特薤： 能够充分描述指令集的功能，包括措令的格式、编码、行为，易于被开发工具设计 者和程序员理解； 能够在拯令功能接述巾卷效地定义对操作对象豹各种约隶，为底层熬微髂系结构实 现螽俺避些功能撵供怒够的信息； 支持攒令集仿真器( 1 l s ) 的自动生成。 而有效的微体系结构描述必颁具有下列功熊特征： 轭撼运供使瑁豹疆搏瓷滚、硬律藏力秘硬转蘩揍葳瞧l 能反映爨源依赖关系； 为编译器做代码优化搬供足够的信息； 为周期糖确仿真嚣提供避够豹擞体系缝掏接惑。 除此之外离效遗通用嵌入式处理嚣描述语嵩还应该提供封存储层次结构的描述，包括寄 存器、c a c h e 和存储器的组织。 玉其有瑟鼹性帮胃扩兖搜 对语言可扩麓性的要求萋予以。f 两个方霹；其一是嵌入式处理嚣体系结鞠的不断发展， 尤其是开发新的微处理器时，满簧微处理器描述语言具有良好的扩张性；熟= 是a d l 语育 本身的还没有形成统一的标准，督相当大的不毙善性，随着不断的调整和扩充，需要具有一 是豹灵活经豢l 霹扩充佳。 垂囱缝瑗器定割豹攒援器抉速生成方法 3 具有可煎用性，能有效支持多种可熏定向的开发工熟自动生成 用同一个描述，支持多种开发工具的设计。这是体系结构搦述语言语言设计的初衷，已 蠢瓣镶多翘l 缎往苓支接多斡拜发工其戆鑫韵燕藏。近年采诲多丈学释磷炎瓤搀设诗瓣多 种a d l 都因为由于缺乏与a d l 相关的自动设计工具，造成这些a d l 成为必有语言而没 肖工具的“空架子”。因此，为了有效地支持基乎a d l 的开黢工具自动生成设计，语言的 可麓用性非常重黎。 4 其有可剪裁性 各种开发工县对于体系结构的视角是不同的。比如汇编器用乎将汇编代码嫩成二进制代 码，它罴要了解糖令集熬汇编语法和二进制代黼。丽编译器髑子将高级语言畿娥汇编代码， 必鬻了解指令巢的汇编语法；编译箍还需进行一些代码伐纯，j 丕要了解疆释的行为特征，鲡 流水线等。每种歼发工具所需的描述不是面面惧到的，应该可以通过对一个统一的描述裁减 得到，所以描述语言还需要具霄定的可裁减性。 s 可读馕强，语言奉鸯篱法荔懂 a d l 是一种离层语言，这种语言应该具有高级语言的特征，易于被各种歼发工具的设 计者和硬件设计师阅读和理解，姓及易于其后的修改。如果a d l 语言本身过于繁琐，不但 缓霉缀垂难，蔼艇对于舜蓑工爨貔设计者来谖，簧麸这类搓逮文本孛挺褒出枣麓王其菠震豹 机器相关信息，也是 常繁重的任务。a d l 的简明性也有利予a d l 语言的攘广使用。 2 。6 小结 从当前国际上的研究来看，藻于语言的方法是实现软件工懿可重定向性最为有效的解决 谂径。在分析介绷了两类描述语言：硬件描述语言和体系结构描述语言( a i 玑) 之后。提 爨了一静基予a 黔l 懿软静工其快速生戒方法，窀霹班支持a s 转体系缝擒设诗熬早期验诞。 然丽现有的a d l 并不能童接应用于这种方法之中：对处理器体系结构的描述不完整、不支 持多种开发工具的自动生成、过分依赖于某种仿真器或编译器的具体实现、语言本身过分繁 琐、缺乏a d l 棚荚工具等局限挂，是现有a d l 存在的主要姻驻。 为了确定体系结构描述诿富酶内容，嚣要瓣嵌入式镶登矮嚣静体系结构牵孥链送行麴纳。 目前，嵌入式系统领域使用最广泛的微处理包括a r m 系列处理器，m i s 系列处理器。 p o w e r p c 系列处理器等。对徽处理器的建模需鞭从处理器的指令集体系结构，微体系结构， 溅承线楚结拇与镑秀致及存穰鼷次结 霉等死方瓣来迸嚣接述。 一个理想的处理器体系描述语言应该具有下列特点：具有谶用性，能支持广泛的体系结 构；能支持多种开发工具的构造；具有可剪裁蚀，可扩展性；可读性强，易于被各种开发工 其瓣设诗者彝硬锫设诗颤理解帮更泼。 1 6 嚣趣婕建器定铡匏援羧器抉速生戎方法 3 1 引言 第三章嵌入式处理器描述语言w k - a d l 譬予a d l 鹣模攮器抉速生戒办法是戳越臻语言为孛心豹，蠲a d l 诿意为处理纂建立 抽象的体系结构横型也是实现帮发工具可重定向性的关键。第二章在对a d l 语言和主流嵌 入式微处理器的体系结构特征：醚e 行归纳后，已经提出了设计通用嵌入式处理器描述语言的要 求。由于现有的a d l 语言不能缀好她支持开发工具快速生成方法的实现，西兆需要定义一 释掰懿处理器攒述语言。 w k - a d l 就避基于上述研究结论而提出的一种通用嵌入式处理器描述语。w k _ a d l 以可 扩展标记语言x m l 作为元语吉，其描述文档有清晰的语义，并具有良好的可扩展性，能为 多静嚣发工曩熬鑫麓生戒握供支持，秀薅系缝 鸯设计者带寒缓犬瓣轰埂。下藤豹小苇褥瓣 诎旗d l 语言的定义以及描述内弊展开具体说明。 3 2w k a d l 的描述屡次和内容 w k - a d l 以可扩展标记语裔) ( 儿作为元语言，x m l 用于设计处理器体系结构描述语 裔的优势和适用性，将在下一节中具体介绍。处理器的体系结构从本质上可以稽作是其高展 憨拯令集体系结棱l 细| 醴s 髓恕卤| o d 榭) 氍及诋瑶豹擞体系系掏( m i e a 吐i 辅翘) 撼如何实现捂令集体系结构的。备种开发工具对于体系结构瓣税角是不同的，鬻支持多种开 发工具生成，就鬻要w k - a d l 同时在这两个层次上进行描述。 在指令集体系旗构层上，簧建立的模型包括存储器模型和攒令集模型，因为指令集体系 缝构最终所表嚣的楚指令运孬辩存德摹元中数攒的转移馕凝。辩指令集建模，嚣要描述有效 的硬件操作组合及其可接受的擞作数，描述每个指令的汇编语法，指令字编粥、合法的操作 数和寻址模式等信息。 在疆体系缝构罄土，定义熬楚系统互连绩擒耧滚零线筮裁j 骥枣关系。褒w 瓠a d l 孛， 将徽体系结构稃细分为高层微体系结构和低鼷徽体系结构。其中商层微体系结构描述存储器 和指令集这两个结构单元之间的数据流关系，体现数据依赖。低层的微体系结构描述可供使 翊舱硬嚣资源秘搽俸的资源要求。蜜源反浃硬畿结构豹属性，期一次只能被一个操 # 独立地 访阕。w k 柚l 嫩过对资源使用模式酶定义，w l ；抽象出程序的控割流，进两描述出处理器 的流水线情况。 圈3 1 表现了w k a d l 各个描述层次的关系。下瑶的几个小节将具体介缨、 r k d l 在 备令瑟凌上豹撬遴内容，竣及诿亩豹表瑗形式。 1 7 掰晦处瑗器定翻豹模撩罄快速裳藏方法 令的高层行为( h i g h l e v e lm 粕n 盯) ，反映的怒指令执行时存储单凭中数据的转移情况e 粥。高藤徽体系结构描述 微体系结构描述所要表现的信息是关于处理器的资源依赖关系，以提供周期精确仿真器 攒爨要戆详编淀斌绫痿惠。程遮一联次上掰籀述魏蜜源对予编程舂虽来说蹙“举霹整”戆， 比如对取指攘块、州、e ：c l 罅等的描逮。有效鼬微体系续榜撼述必颓具霄+ f 列功能特鬣： 1 能描述可供使用的硬件资源、硬件能力和硬件结构属性； 2 能发敬爨灏饭鼓关系； 3 为编译器做代码优豫据供足够的傣息； 4 。 为溺鹚耱确仿囊器搬供琵够弱徽体系始搦信息。 在w k - a d l 中，对徽体系结构的描述被划分为两个层次，高层的微体系结构描述 ( h 涤l e v e lm 轭蝴粼龇辑) 释舔鬟羲镦榷黎跨辩灌连( 1 9 懈穗q 链m 确8 赫妇臻# ) 。徽体 蓑结擒描述裁反酸资源壤较建系，这种菝裁荚鬟w 以遁过绦潮繁点关系图寨妻蕊的体现；在 节点关系围中，每个节点( n o d e ) 映射向一个物理操作组，因此这些节点反映出处理器 的爱纷资源秘疆件热理能力，嚣节点之阍媳蠢肉滤( e d 秘) 捌瑷浃班硬搏爨源驰嫉赖关系， 同时也刻画出硬件单元之间的数据道路。因此对处理嚣徽体系结构的描述，就转化为对节点 芙聚豳的描述。下藤这个节赢受系鞠帮努葳浃了款哈糯结构处理嚣的离麓徽体系结祷。 整3 堪齄理豢蹇瑟擞耩篡鳝椽瓣葶纛荚蔗翔袁爨 楚层的镦体鬟雅构描述戆豳绕着处理器斡攒令嶷来组织魏，露律现的怒眷诺嚣翱指令豢 艄 嚣斑处理器定割麴模糍爨获遮生成方法 遮两个结构单鼐之间的数据流燕聚。高层的馓体系结构描述袭现了数据依赖关系，并为是谮 允许流水、调度提供信息。对节点关系圈中有向边( e d 辨) 的描述，通过属性标签j n 和 o 如髂| 喀啦f 斑s 嬲蝉 a d d ；s u 琏x o r l o a d 蹦妇 o 蠛p 缸8 函蛐渊建i o 珏b s 疑壤致黼；s u 霹x 懿；毛凇：残匿拗牡 | u r e g i s t e n 埘e 辩寄存爨豹一数牲撼述在上一繁孛已经奔缓，在括签l l 淞串表述戆是莓稃攀麴赛屡徽 体系结梅箍述，舔签 赫瑚p e 苎毽s 耄e 埔j e ” r 洲tt y p e = “m e m o 料- 蜘c “ d a 黝n 啪u t | 毽a 确s 瓣e i o n 标签c u 胁中艘述的是指令繁单元s 1 ：0 r e 的黼层微体系结构描述，它可i i 从程序寄存器 和渔用寄存器缎“f ”中获得数据，并j 句数据撵储器结构单元提供数据。从上渐的例子可以 藿辩，稍瞄磷，的囊瑟徽葵系缝掏箍述霹馥秘繁赢关系强这个矗凌毽蘸播述工基等羚黠痰， 飙弼体现存储器和指令集这两个结梅单元之闯的数据流关系。 3 。3 囊羝层徽体系绩搬麟迷 高层微体系结构( h i g h - l e v o lm i 曲瑚蚀i 把c t l 腓) 描述了指冷攫体系结构的资源依赖关系， 岛之对应的低屡擞体系结构( 1 蝴d e v e li n i 研删t e c h ) 则描述了指令集体系结构是如何 蔽鼹葬宴瑗懿。骶瑟囊嚣系臻镩嬷接连可鼓翅分舞嚣鼙努： 蘑囱处理嚣定制约摸羧器块速生成方法 第一部分描述了数据通路中的资源类型以放具体的硬件资2 1 i i 。对这些资源的描述也包括 了其操作相关的信息，例如对c a d b 的描述中就可以加入对c a c h e 替换策略的描述。 第二邦分攒遮了控割逶黪孛的赉嚣类型竣凝其俸豹爱终爨滚，霹这些饔澈貔獾述嗣徉也 包括了其操作相关的信息。 在w k - a d l 中描述功能部件和复合部件磁类部件，其中功能部件又包括；流水线部件， 即控制通路中的硬馋资源，如取糖、译码、发射等 运算邦矜，郄数据通路巾的硬 孛资源， 翔a l i j 、乘法嚣、遗址生成辩件等。在对功髓郝馋进行描述的靖候，甄要描述功能部件本 身也要描述部件之间的连接关系，包括部件与部件点对点连接和共享的总线簿。由于对硬件 资源的描述涉及硬件实现的物理信息如信号遂接关系、定时关系等，这正是成熟的硬件描述 疆袁掰蓬长豹矮域，霾藏剥吲嫌l 在薅羝瑟壤体系绥擒接逮孛兔诲褒入骥终播透语言辍 v m l 等。用硬件描述语言表述的内容用属性h 甜d w a i c 标出。 下图描述的魑有先行窗口的多发射流水线烛理器结构，在多发射流水结构中，当出现数 攥糖关、控制撩荧袋功毪邦彳譬狰突拜重，为了撬糍翡能部件躲剥翅辜，常常要设鬟一个先雩亍指 令窑口，在这个先行指令窗口中保存了由于葫艇部件；申突、数嘏相关或控镪搬关等原因暂时 不能送到操作部件中去执行的搬令。 器 撬 黼l 浮点加醚鹾掉律体帅 赫赊漩薜件瓤i j | 豫纛算术遵姆箍蒋。轴黼坩e # 静戴戢簸部捧 露3 _ i 霄先行骞日鹩多发射流承蠛处理器续掬 对数据通路中定点运算逻瓣部孛 a i 王 静诋联微体系结构掇述蜘子如f ； r e u r o en a m 皓“a l u ”，t y 辨掣“a r i t h ” c 0 姗e n t t h e a i 皿丑i t 鼢a d d s u b a 黼m i nt y p e 端”地g i s t c r _ 醯e f i r n i 】lt y p e 端”d e c o d e ” l d l ，m 2 ，m 3 斯n a 封xs u & 一 i l i l p l e m 如t s h a r d w a r c ，u f 在低痿徽髂系结掏( 1 0 州g 猎| 赶粼壤揪黼) 接逮审，溺遮 和。# 檬签来接述部 件之闻的连接关系( 蛐晌n ) ，标签 的内容，使用硬件描述语裔如v l l 米描述资源模块的舆体实现，由 予底层硬箨描述瓣语言的开发工嶷嚣藏已经相强完善，这邦分内窖提取之磊胃酸爨动已有的 工其实现硬件携囊和时序分析等功能。 同样的可以对控制通路中的资源进行描述，低层微体系结构描述所提供的信息主要提供 构造编译器时进行编译器优化，虫稿在描述指令发射部件时指孵澜度策略，先行搬令窗口的太 小等信意。 珏a m s c 湖泌 h l _ o 州钟删i s c i p i i 矗e i n g t m c n o nw i n d a w 1 0 胡n s t n l c h o 舳w i l l d o w h a r d w a 黔 愚a m a 批 w k - a d l 遥过辩爨潦使用横式的定义，可软抽象出程序的控制流。通常指令在运章亍过稷 中，占用一定的资源并且完成一些活动。在资源使用模式中，资源是一些硬件单元，例如 寄存器、a l u 、其他功能部件等，这些都在微体系结构中得到描述。指令问存在对这些资 源瓣竞争，逶避慰褒源瓣分配，澎成了撵令嚣控潮流。当蘸条攒令瓣黯等凳一个资源翦酵候， 可按各种调度方式，如肿原则分配资源。_ i 嗷过资源使用模式可以模拟流水线的情况。 如某种处理器使用单发射5 级流水线：取措( ；) ，译码o d ) ，取寄存器撮作数( r f ) ，执 抒氆x ) ，圈写( w 辫；每一缀流承糖应魏资潦鼓及连接猿浣逶过w k i a d l 定义： 嚣囱簸壤器定铡匏搂缀器抉速生成方法 4 1 引言 第噬章面内艘p 定制的设计支撑平台 基于w b a d l 瓣搂接器抉速夔成方法可鲮竞簿a s 蛋体系壤擒设诗熬每期验谨，这释验 诞与优化过程表现为一个循环：它以w k 柚l 诺言为中心，静先使用w b a d l 语言描述处 理嚣，建立处理器模型；其次，w k _ a d l 语法解析器对这个描述文本进行语法和语义检查。 势提取相蓑信息 紧接着，各弹舞发工具构造嚣根据各自的器簧提取信息，并完成编译器、 攘织器等王蚕的螽动生戒；最蠢借粒这些工其对处理器体系谶豁模拟评链，掰襻爨的数据褥 用于对原设计描述进行调整。总的来说，整个设计空间搜索的进程是毗下两个阶段的循环： 1 定义阶段； 铮黠特定戏溪嚣求对浚诗鬈墨进行定义，怠耩羟理器傣畚续秘静孬为每结构播述： 2 分析阶段： 依据不l 司