（计算机系统结构专业论文）高性能存取部件的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 作者 基于国 防“ 十五” 预 研课 题( 专题 编号: 4 1 3 0 8 0 1 0 1 0 8 ) 的 研究 工作， 着 重研究了r i s c微处理器系统的存取部件 ( 包括 l o a d - s t o r e 部件和总线接口部 件)的体系结构，同时对国内外先进的存取部件的设计技术加以 研究并运用到 了作者参加的自 主研发的3 2 位r i s c微处理器 “ 龙腾r 2 ”中。 l o a d - s t o r e 部 件 和 总 线 接口 部 件 作为 微 处 理 器中 的 存 取 部 件， 随 着 多 发 射、 指令乱序执行技术在微处理器中的实现、微处理器和外部存储器之间的时钟频 率的差距不断增加， 其执行效率越来越成为了微处理器数据传输的瓶颈。本文 围绕微处理器器中存取部件的性能优化展开了深入的研究。 论文的主要研究成果有: 1 .深入研究了p o w e r p c 7 5 0 的指令系统，并结合“ 龙腾r 2 ”的微体系结 构完成了“ 龙腾r 2 ” 微处理器存取部件中l o a d - s t o r e 部件的设计与实 现。 经仿真分析其执行功能与p o w e r p c 7 5 0 的完全兼容， 同时在0 . 1 8 u m 库中其综合的结果显示， 关键路径对齐部件的延时为 3 . 2 4 n s ，完全满 足了“ 龙腾r 2 ”时钟频率为2 3 3 m h z 的目 标。 2 .在研究p o w e r p c 6 0 x总线接口 时序和总线接口 协议的基础上，设计并 实现了“ 龙腾r 2 微处理器中存取部件的另外一个功能部件一总线接 口 部件。在总线接口 部件中实现了l o a d - s t o r e 缓冲模型，大大提高了 微处理器访问外部存储器的效率。 3 搭建了l o a d - s t o r e 部件和总线接口 部件的软件验证平台，进行了l o a d - s t o r e 部件和总线接口部件的r t l 级仿真， 并完成了p o w e r p c 7 5 0 指 令系统单条指令的逐一测试。 4 .在单片f p g a上设计并实现了“ 龙腾r 2 ”的整体验证系统， 其主要的 功能部件包括 “ 龙腾 r 2 ”微处理器 、 外部总线控制器，s r a m 控制 器、串口控制器、m 2 6 8 1 控制器以及中断控制器. 5 .在 “ 龙腾r 2 f p g a验证系统上通过了 用户提供的 大小监控程序、浮 点测试程序、 特殊指令包以 及v x w o r k s 操作系统 b o o t r o m的测试. 本论文的研究成果对顺利完成“ 十五”国防 预研项目 以 及“ 龙腾r 2 ” 微处 理器的投片成功奠定了基础。 关银词:r i s c 微处理器存取部件l o a d - s t o r e 部件总线接口部件 f g p a 西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f t h e n a t i o n a l d e f e n c e p r e l i m i n a r y r e s e a r c h p r o j e c t s , t h e a u t h o r p r i m a r i l y r e s e a r c h e d t h e a r c h i t e c t u r e o f t h e r i s c m i c r o p r o c e s s o r s l o a d / s t o r e u n i t a n d b u s i n t e r f a c e u n i t , a n d a p p l i e d t h e a d v a n c e d d e s i gn t e c h n i q u e s t o t h e l o n g t e n g 1 1 2 r i s c m i c r o p r o c e s s o r . a s t h e m u l t i - i s s u e a n d o u t - o f - o r d e r t e c h n i q u e s a r e b e i n g e m p l o y e d i n t h e mi c r o p r o c e s s o r s , t h e g a p b e t w e e n t h e s p e e d o f t h e m i c o r p r o c e s s o r a n d t h e m e m o r y f u rt h e r i n c r e a s e s ,t h e r e f o r e t h e o v e r a ll c o m p u t e r s y s t e m p e r f o r m a n c e i n c r e a s i n g l y l i m i t e d b y t h e e x e c u t i n g e f f i c i e n c y o f l o a d / s t o r e u n i t a n d b u s b e c o me s i n t e r f a c e u n i t . t h i s d i s s e rt a t i o n f o c u s e s p e r f o r m a n c e o f l o a d / s t o r e u n i t t h i s d i s s e rt a t i o n a r e g iv e n b e l o w . o n t h e r e s e a r c h o f t e c h n i q u e s t o i m p r o v e t h e a n d b u s i n t e r f a c e un i t . t h e ma i n c o n t r i b u t i o n s i n 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) b a s e d o n t h e t h o r o u g h r e s e a r c h o f t h e p o w e r p c 7 5 0 i n s t r u c t i o n s y s t e m a n d m i c r o - a r c h i t e c t u r e o f l o n g t e n g r 2 m ic r o p r o c e s s o r , t h e l o a d / s t o r e u n i t o f l o n g t e n g r 2 m i c ro p r o c e s s o r i s d e s i gne d a n d i m p l e m e n t e d . b y s i m u l a t i o n a n d s y n t h e s i s , t h e e x e c u t i n g f u n c t i o n o f l o a d / s t o r e u n i t i s c o m p a t i b l e t o p o w e r p c 7 5 0 i n s t r u c t i o n s y s t e m , t h e l a t e n c y o f t h e c r i t i c a l p a t h - a l i g n m e n t u n i t i s 3 .2 4 n s , w h i c h w e l l m e e t s t h e d e m a n d r e q u i r e d b y t h e 2 3 3 m h z o f l o n g t e n g r 2 c l o c k fr e q u e n c y . a n o t h e r f u n c t i o n a l u n i t o f t h e l o n g t e n g 1 1 2 m i c r o p r o c e s s o r , t h e b u s i n t e r f a c e u n i t i s d e s i gne d a n d f u r t h e r i m p l e m e n t e d b y r e s e a r c h i n g t h e p o w e r p c 6 0 x b u s p r o t o c o l . t h e l o a d / s t o r e b u f f e r m o d e l , w h i c h l e a d s t o t h e i n c r e a s i n g l y i m p ro v e d e f f i c i e n y o f t h e m i c r o p r o s s o r s a c c e s s t o t h e m e m o r y . t h e a u t h o r d e v e l o p s t h e s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t o f l o a d / s t o r e u n i t a n d b u s i n t e r f a c e u n i t f o r f u l l - i n s t r u c t i o n s i m u l a t i o n o f t h e m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m . t h e o v e r a l l v e r i f i c a t o n s y s t e m d e s i gn o f l o n g t e n g r 2 f p g a i m p l e m e n t a t i o n i s c o m p l e t e d i n a s i n g l e f p g a c h i p . t h e b u s c o n t ro l l e r , t h e s r a m c o n t r o l l e r , t h e s e r i a l - p o rt c o n t r o l l e r , t h e i n t e r r u p t c o n t r o l l e r a n d t h e m 2 6 8 1 c o n t r o l l e r a r e a l s o 5 ) i m p l e m e n t e d i n t h e s m a l l/ b i g t h i s f p g a c h i p a t t h e m o n i t o r p r o g r a m , t h e s a me t i me . fl o a t i n g - p o i n t t e s t p ro g r a m , t h e s p e c i a l i n s t r u c t i o n p r o g r a m p a c k a g e s a n d t h e v x w o r k s o p e r a t i n g s y s t e m s b o o t r o m h a v e s u c c e s s f u l l y p a s s e d t h e t e s t i n t h e s y s t e m . t h e d i s s e rt a t i o n h a s c o n t r i b u t e d t o t h e s u c c e s s o f n a t i o n a l d e f e n s e p r e l i m i n a r y r e s e a r c h p r o j e c t s a n d t h e t a p i n g o u t o f l o n g t e n g r 2 m i c r o p r o c e s s o r . 西北工业大学硕士学位论文 k e y wo r d s : r i s c m ic r o p ro c e s s o r l o a d /s to r e u n it b u s in te rf a c e u n it 即 g八 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景及来源 微处理器是一切信息设备的，j 自 脏” ， 而微处理器的体系结构和时钟频率是推 动计算机系统发展的原动力。微处理器结构不变时，其处理性能的提升依靠时 钟频率的不断提高;但设计技术和生产工艺发展接踵而来的结构更新，更是处 理器性能跃升的源头。 精简指令计算机( r i s c ) 是和复杂指令系统计算机( c i s c ) 相对的 概念 h e p a 0 1 。 研究人员测试表明， c i s c机中一些仅占 指令总数 2 0 % 的简 单 指令， 在程序中出 现的 频度高 达8 0 p/ h e p a 0 1 。 而复杂的 指令系 统增加了 处 理器 的复杂性，延长了微处理器的研制时间，提高了处理器的开发成本，同时复杂 指令所需的复杂操作还降低了机器的运算速度。为此， 科学家于2 0世纪7 0 年 代提出了“ 精简指令” 的思想。 2 0 世纪 8 0 年代初，斯坦福大学研制出mi p s机，推动了r i s c机的发展。 有关专家介绍，r i s c微处理器不仅精简了指令系统，还采用超标量和超流水线 结构， 大大增强了并行处理能力。由于r i s c处理器指令简单、 采用硬布线控制 逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分 u n i x工作站和服务器厂商均采 用r i s c芯片作c p u 。 如原d e c的a lp h a 2 1 3 6 4 , i b m的p o w e r p c g 5 , h p 的 p a - 8 9 0 0 , s g i 的m i p s r 1 2 0 0 0 a和s u n m i c r o s y s t e m公司的u l t r a s p a r c i i i . 这些r i s c芯片的工作频率一般在4 0 0 mh z 数量级甚至更高。 时钟频率低， 功率 消耗少， 温升也小， 机器不易发生故障和老化，提高了 系统的可靠性。如 s g i 的mi p s r 1 2 0 0 0 a微处理器主要靠改进微处理器的体系结构来提高处理器的总 体性能，使运行应用程序时速度加快。 r i s c微处理器取得成功的原因之一是由于指令集简化后，流水线以 及常用 指令均可用硬件执行;原因之二是采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在 寄存器之间进行，提高了处理速度;原因之三是采用缓存一主存一外存三级存 储结 构 s u n d e 0 3 ， 使取数与 存数指令 分开执 行， 使处理 器可以 完 成尽 可能多的 工作， 且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 在r i s c微处理器发展过程中。 曾 产生了 超长指令字( v l i w) h e p a 0 1 微处理 器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以增加运算速度在 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景及来源 微处理器是一切信息设备的，j 自 脏” ， 而微处理器的体系结构和时钟频率是推 动计算机系统发展的原动力。微处理器结构不变时，其处理性能的提升依靠时 钟频率的不断提高;但设计技术和生产工艺发展接踵而来的结构更新，更是处 理器性能跃升的源头。 精简指令计算机( r i s c ) 是和复杂指令系统计算机( c i s c ) 相对的 概念 h e p a 0 1 。 研究人员测试表明， c i s c机中一些仅占 指令总数 2 0 % 的简 单 指令， 在程序中出 现的 频度高 达8 0 p/ h e p a 0 1 。 而复杂的 指令系 统增加了 处 理器 的复杂性，延长了微处理器的研制时间，提高了处理器的开发成本，同时复杂 指令所需的复杂操作还降低了机器的运算速度。为此， 科学家于2 0世纪7 0 年 代提出了“ 精简指令” 的思想。 2 0 世纪 8 0 年代初，斯坦福大学研制出mi p s机，推动了r i s c机的发展。 有关专家介绍，r i s c微处理器不仅精简了指令系统，还采用超标量和超流水线 结构， 大大增强了并行处理能力。由于r i s c处理器指令简单、 采用硬布线控制 逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分 u n i x工作站和服务器厂商均采 用r i s c芯片作c p u 。 如原d e c的a lp h a 2 1 3 6 4 , i b m的p o w e r p c g 5 , h p 的 p a - 8 9 0 0 , s g i 的m i p s r 1 2 0 0 0 a和s u n m i c r o s y s t e m公司的u l t r a s p a r c i i i . 这些r i s c芯片的工作频率一般在4 0 0 mh z 数量级甚至更高。 时钟频率低， 功率 消耗少， 温升也小， 机器不易发生故障和老化，提高了 系统的可靠性。如 s g i 的mi p s r 1 2 0 0 0 a微处理器主要靠改进微处理器的体系结构来提高处理器的总 体性能，使运行应用程序时速度加快。 r i s c微处理器取得成功的原因之一是由于指令集简化后，流水线以 及常用 指令均可用硬件执行;原因之二是采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在 寄存器之间进行，提高了处理速度;原因之三是采用缓存一主存一外存三级存 储结 构 s u n d e 0 3 ， 使取数与 存数指令 分开执 行， 使处理 器可以 完 成尽 可能多的 工作， 且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 在r i s c微处理器发展过程中。 曾 产生了 超长指令字( v l i w) h e p a 0 1 微处理 器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以增加运算速度在 1 g i l s r ) l * g 1a l * ti it a c一 .一一 一一第 一 章绪 论 v l i w 微处理器中多个功能部件由一组寄存器相连，以支持多功能并行执行。 v l i w 处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使侮个机器周期内有多个操 作。有些r i s c处理器也采用少数v l i w指令来提高处理速度。 在国防方面，有自己的高性能的 “ 芯”对于国防安全有重大的现实意义。 军用3 2 位嵌入式微处理器的研究与设计是国防“ 十 五” 预研课题军用s o c系 统设计的一部分，从国防 “ 七 五”计划至今，航空机载嵌入式微处理器土要 依赖国外进口，随着国防对军用微处理器需求加大，军用微处理器在进口 和使 用方面，受到种种限制。多种军用航空芯片，因技术限制和停产等原因，不能 引进和充实国防应用。这严重束缚了以微处理器为核心的军用、民用电子控制 系统的发展。因此，自 行研制具有我国自 主版权的微处理器迫在眉睫。实践证 明:研制路线采用开发具有自 主版权的、与国外广泛应用的微处理器指令系统 相兼容的微处理器，是目 前提高国内微处理器设计和开发能力的一种有效途径 s u n 0 2 基于上述背景，西北工业大学航空微电子中心使用指令集和国际主流的体 系结构相兼容， 处理器结构自 主设计， 用t o p - d o w n 的方式完成高性能微处理器 的设计，先后承担了“ 龙腾r 1 , “ 龙腾r 2 , “ 龙腾c l ”和 “ 龙腾s 1 等一系 列处理器的研制工作。 1 . 2国内外研究现状 l o a d - s t o r e 部件一直是微处理器中数据传输的瓶颈， 其存取数据的 速度或效 率一直制约着定点部件和浮点部拌的执行效率f z j 0 9 5 。因此提高微处理器中 l o a d - s t o r e 部件从数据c a c h e 中存取数据的效率对于微处理器整体性能的提高具 有深刻的影响r a n i 0 4 。目 前为了提高l o a d - s t o r e 部件的执行性能，国内 外做了 广 泛的研究，其中所使用的方法可以归纳为如下几个方面:( 1 )采用流水线方式 执行 l o a d - s t o r e 指令2 1t ， 这样就避免了 因阻塞式结构造成的长期等待从数据 c a c h e中或外部存储器取数而引起的系统性能损失; ( 2 ) 根据时间局部性和空 间 局部 性原理 h ep a 0 1 采用s t o re - t o - l o a d f o r w o r d in g a n s o 技术 和 l o a d - t o - l o a d f o r w o r d in g m 0 s o 9 9 技 术 ， 即 在 执行l o a d 指 令 时 从s t o r e 缓 冲 队 列 或l o a d 缓 冲 队 列中查找与当前l o a d 指令有效地址相匹配的s t o r e 指令的数据或己执行的l o a d 指令的缓冲数据，若地址匹配成功则直接将查找到的数据送往l o a d 指令，这样 就减少了l o a d 指令的延迟时间，从而提高了l o a d - s t o r e 部件执行l o a d / s t o r e 指 1 g i l s r ) l * g 1a l * ti it a c一 .一一 一一第 一 章绪 论 v l i w 微处理器中多个功能部件由一组寄存器相连，以支持多功能并行执行。 v l i w 处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使侮个机器周期内有多个操 作。有些r i s c处理器也采用少数v l i w指令来提高处理速度。 在国防方面，有自己的高性能的 “ 芯”对于国防安全有重大的现实意义。 军用3 2 位嵌入式微处理器的研究与设计是国防“ 十 五” 预研课题军用s o c系 统设计的一部分，从国防 “ 七 五”计划至今，航空机载嵌入式微处理器土要 依赖国外进口，随着国防对军用微处理器需求加大，军用微处理器在进口 和使 用方面，受到种种限制。多种军用航空芯片，因技术限制和停产等原因，不能 引进和充实国防应用。这严重束缚了以微处理器为核心的军用、民用电子控制 系统的发展。因此，自 行研制具有我国自 主版权的微处理器迫在眉睫。实践证 明:研制路线采用开发具有自 主版权的、与国外广泛应用的微处理器指令系统 相兼容的微处理器，是目 前提高国内微处理器设计和开发能力的一种有效途径 s u n 0 2 基于上述背景，西北工业大学航空微电子中心使用指令集和国际主流的体 系结构相兼容， 处理器结构自 主设计， 用t o p - d o w n 的方式完成高性能微处理器 的设计，先后承担了“ 龙腾r 1 , “ 龙腾r 2 , “ 龙腾c l ”和 “ 龙腾s 1 等一系 列处理器的研制工作。 1 . 2国内外研究现状 l o a d - s t o r e 部件一直是微处理器中数据传输的瓶颈， 其存取数据的 速度或效 率一直制约着定点部件和浮点部拌的执行效率f z j 0 9 5 。因此提高微处理器中 l o a d - s t o r e 部件从数据c a c h e 中存取数据的效率对于微处理器整体性能的提高具 有深刻的影响r a n i 0 4 。目 前为了提高l o a d - s t o r e 部件的执行性能，国内 外做了 广 泛的研究，其中所使用的方法可以归纳为如下几个方面:( 1 )采用流水线方式 执行 l o a d - s t o r e 指令2 1t ， 这样就避免了 因阻塞式结构造成的长期等待从数据 c a c h e中或外部存储器取数而引起的系统性能损失; ( 2 ) 根据时间局部性和空 间 局部 性原理 h ep a 0 1 采用s t o re - t o - l o a d f o r w o r d in g a n s o 技术 和 l o a d - t o - l o a d f o r w o r d in g m 0 s o 9 9 技 术 ， 即 在 执行l o a d 指 令 时 从s t o r e 缓 冲 队 列 或l o a d 缓 冲 队 列中查找与当前l o a d 指令有效地址相匹配的s t o r e 指令的数据或己执行的l o a d 指令的缓冲数据，若地址匹配成功则直接将查找到的数据送往l o a d 指令，这样 就减少了l o a d 指令的延迟时间，从而提高了l o a d - s t o r e 部件执行l o a d / s t o r e 指 西北工业大学硕 卜 学位论文 第一帝 绪论 令的吞吐率; ( 3 ) 采用l o a d w a i t b u f f e r ( l o a d等待缓冲) s h j e 9 9 技术，即对于 在数据 c a c h e中缺失的l o a d 指令， 先将其存储在 l o a d wa i t b u f f e r 中， 让后续 的l o a d / s t o r e 指令先行执行， 待数据 c a c h e从外部存储器中取回数据后， 继续 执行，这样就减少了因为 l o a d指令缺失而造成的 l o a d指令的长期等待，从而 提高l o a d - s t o r e 部件的执行效率。 ( 4 ) 优化l s u数据通路 2 6 ，因为大多数微处 理器系统支持地址不对齐、字节反向、高位符号位扩展或添 0以及低位补0的 l o a d / s t o r e 指令，故在执行这些l o a d / s t o r e 指令，额外的多步操作将会对微处理 器系统的性能造成一定的 影响，为此 s u n 0 2 研究设计了 一种扩展的特殊对齐部 件，可以在一个时钟周期内完成上述所有的工作，从而大大地缩短了上述 l o a d / s t o r e 指令的执行时间。 同样输入输出子系统 ( 总线接口部件)始终是高性能计算机系统中的瓶颈 b u g o 9 6 w an g 9 9 。 当 然 随 着i c 制 造 工 艺 和r i s c 技 术 的 发 展， 电 路 速 度 越 来 越 快， 指令执行时间越来越短，虽然连接微处理器 ( mp u)和存储器的 i / o的带宽也 不断增加，但它的速度增长远远赶不上微处理器和存储器本身速度的增 长 m a 9 9 s u n 0 4 。 特 别 是 先 进 的r i s c 技 术， 如 超 流 水 线 、 超 标 量 和v l i w在m p u 设 计中的广泛应用，使得这一矛盾更加突出。为了解决这一问题，常用的方法有: ( i ) 优 化c a c h e 的 设 计， 通 过 采 用多 级c a c h e , 牺 牲c a c h e ， 以 及c a c h e 缺失下缺失和缺失下命中技术等，减少了缺失率和缺失代价，从而满足快速指 令的 要求。 ( 2 ) 分支 预 测 技术 b o n 9 4 分 支 预 测 技术的目 标 是 根据某 些条 件 提前 判 断是否需要转移， 若需要， 则将预测的目 标指令和数据预取到c a c h e ， 从而避 免转移引起的c a c h e失效， 损失系统性能。 这种技术能够从一定的程度上提高 系统的 性能。 ( 3 ) 存 取式结构和大寄 存器堆 m p u采用存取式结构m a 9 9 ， 即 在 m p u内部设置大量的寄存器，为l o a d / s t o r e指令以外的其它非访存指令提 供广阔的运算空间， 这样减少了mp u访存次数， 从某种意义上来说也就提高了 访存效率。( 4 ) l o a d - s t o r e模型 即将内 部访存的 指令请求先存放到总线接口 部件的l o a d - s t o r e 缓冲模型中后，内部mp u可以继续执行后续的指令请求， 待数据从外部存储器中取回后，通知内部m p u取走数据， 这样内部mp u就减 少了等待总线接口部件从外部存储器取数的时间，从而也提高了访存效率。 从国内微处理器发展来看， r i s c微处理器的研究和设计方面发展迅速，已 有多款r i s c微处理器芯片研制成功。 在国内科技力量比较雄厚的地区， 一批i c 设计企业也如雨后春笋般建立，这样开发中国c p u就有了坚实的基础。在前沿 研究方面，以中科院为首，很多重点大学和部属科学院所等单位聚集一大批有 经验、高水平的科研人员己投入中国“ 芯” 的研究之中，以上种种显示， 发展高性 西北 r _ 业大学硕 卜 学位论文 第一章 结论 能微处理器的各种机遇降临中国。 如今， 中科院计算所研制成功基于mi p s 系统 结构的“ 龙芯 i 0 和“ 龙芯 i i ，通用微处理器芯片，可以广泛的应用于商用领域:西 安交大和航天7 7 1 所合作的攻关项目 “ 3 2 位高性能浮点r i s c微处理器” ， 该处理 器不仅可以独立运用，而且可以作为知识产权模块芯核嵌入到s o c系统级芯片 中，目 前己经作为核心i p芯核成功嵌入到中国正在研制的超大规模图像处理芯 片中，紧随其后的 “ 方舟” 、“ 汉芯” 、“ 清芯” 等微处理器的研发成功的捷报频频 传来。 西北工业大学航空微电子中心研制成功基于 p o w e r p c体系结构的“ 龙腾 r i r s i c微处理器和基于i n t e l x 8 6 体系结构的“ 龙腾c i ” 微处理器，目 前 “ 龙 腾r 2 微处理器和 “ 龙腾s i ”微处理器也正在研制当中。 1 . 3 论文内容及其意义 p o w e r ( p e r f o r m a n ce o p t im iz e d w i th e n h a n c e d r i s c ) m t p e 9 7 1体 系 结 构 和早 期的r i s c处理器有许多相似之处，例如，采用简单的面向寄存器的指令系统， c p u采用硬连线技术实现， 注重流水线技术的使用等。 但是，与它之前的r i s c 机 器 相比 ， 其 指令 系 统是 对r i s c 设 计的 一个 挑战。 p o w e r p c 7 5 0 1 m 微 处 理 器是一个复杂的系统，主要应用于嵌入式领域。作为九十年代中期国外研制并 一直使用至今的高性能3 2 位微处理器， p o w e r p c系列具有独特优点。 本论文从p o w e r p c的指令系统入手并结合 “ 龙腾r 2 微处理器的 微体系结 构， 其 主 要 研 究内 容 是“ 龙 腾lull 微 处 理 器中 存 取 部 件( 包 括l o a d - s t o r e 部 件 和总线接口 部件)的研究，并对 “ 龙腾f u 11 整体验证系统进行了f p g a实现。 作者在硕士期间进行的研究工作归纳如下: i . 深入地研究了微处理器存取部件 ( l s u和总线接口部件)的体系结构，对 国际上先进的存取部件的技术进行了研究总结，并成功应用到“ 龙腾r2 r i s c微处理器中。 2结合p o w e r p c 7 5 0 手册，完成了“ 龙腾r 2 ”微处理器中l o a d - s t o r e 部件的 设计与实现， 为了 和p o w e r p c体系结构完全兼容， 作者采取了b f m( 总线 功能模型) 建模的方法对l o a d - s t o r e 部件进行了详细的仿真验证工作， 目前 l o a d - s t o r e 部件能完全正确地执行 p o w e r p c指令集中的所有 l o a d和 s t o r e 指令， 其代码覆盖率达9 8 .4 % 和功能覆盖率达1 0 0 01 0 0 3 . 完成了“ 龙腾r 2 1s 微处理器总线接口 单元的设计和实现， 其总线接日协 议 采用p o w e r p c体系下的p o w e r p c 6 0 x总线接口协议，经仿真验证其接口信 西北 r _ 业大学硕 卜 学位论文 第一章 结论 能微处理器的各种机遇降临中国。 如今， 中科院计算所研制成功基于mi p s 系统 结构的“ 龙芯 i 0 和“ 龙芯 i i ，通用微处理器芯片，可以广泛的应用于商用领域:西 安交大和航天7 7 1 所合作的攻关项目 “ 3 2 位高性能浮点r i s c微处理器” ， 该处理 器不仅可以独立运用，而且可以作为知识产权模块芯核嵌入到s o c系统级芯片 中，目 前己经作为核心i p芯核成功嵌入到中国正在研制的超大规模图像处理芯 片中，紧随其后的 “ 方舟” 、“ 汉芯” 、“ 清芯” 等微处理器的研发成功的捷报频频 传来。 西北工业大学航空微电子中心研制成功基于 p o w e r p c体系结构的“ 龙腾 r i r s i c微处理器和基于i n t e l x 8 6 体系结构的“ 龙腾c i ” 微处理器，目 前 “ 龙 腾r 2 微处理器和 “ 龙腾s i ”微处理器也正在研制当中。 1 . 3 论文内容及其意义 p o w e r ( p e r f o r m a n ce o p t im iz e d w i th e n h a n c e d r i s c ) m t p e 9 7 1体 系 结 构 和早 期的r i s c处理器有许多相似之处，例如，采用简单的面向寄存器的指令系统， c p u采用硬连线技术实现， 注重流水线技术的使用等。 但是，与它之前的r i s c 机 器 相比 ， 其 指令 系 统是 对r i s c 设 计的 一个 挑战。 p o w e r p c 7 5 0 1 m 微 处 理 器是一个复杂的系统，主要应用于嵌入式领域。作为九十年代中期国外研制并 一直使用至今的高性能3 2 位微处理器， p o w e r p c系列具有独特优点。 本论文从p o w e r p c的指令系统入手并结合 “ 龙腾r 2 微处理器的 微体系结 构， 其 主 要 研 究内 容 是“ 龙 腾lull 微 处 理 器中 存 取 部 件( 包 括l o a d - s t o r e 部 件 和总线接口 部件)的研究，并对 “ 龙腾f u 11 整体验证系统进行了f p g a实现。 作者在硕士期间进行的研究工作归纳如下: i . 深入地研究了微处理器存取部件 ( l s u和总线接口部件)的体系结构，对 国际上先进的存取部件的技术进行了研究总结，并成功应用到“ 龙腾r2 r i s c微处理器中。 2结合p o w e r p c 7 5 0 手册，完成了“ 龙腾r 2 ”微处理器中l o a d - s t o r e 部件的 设计与实现， 为了 和p o w e r p c体系结构完全兼容， 作者采取了b f m( 总线 功能模型) 建模的方法对l o a d - s t o r e 部件进行了详细的仿真验证工作， 目前 l o a d - s t o r e 部件能完全正确地执行 p o w e r p c指令集中的所有 l o a d和 s t o r e 指令， 其代码覆盖率达9 8 .4 % 和功能覆盖率达1 0 0 01 0 0 3 . 完成了“ 龙腾r 2 1s 微处理器总线接口 单元的设计和实现， 其总线接日协 议 采用p o w e r p c体系下的p o w e r p c 6 0 x总线接口协议，经仿真验证其接口信 西北工业大学硕 士学位论文第章 绪论 号时序和接g协议己完全和p o w e r p c 7 5 0 相兼容。 同时完成了代码覆盖率和 功能覆盖率的测试，其代码覆盖率已 达9 7 .3 %，功能覆盖率达9 5 .3 % . 4 . 设计并实现了 “ 龙腾 r 2 ”的f p g a验证系统，并在此系统上成功通过了 用 户提供的小监控程序、大监控程序、浮点测试程序和特殊指令程序的测试， 中断的处理测试也己完成，目 前在作者所设计的系统中，现已成功完成了 嵌入式操作系统v x wo r k s b o o t r o m的系统测试。 在完成上述工作的同时，作者对微处理器系统的软件仿真程序 ( 包括大小 监控程序、浮点测试程序、特殊指令集程序和 v x wo r k s 操作系统)进行了深入 的研究，为航空微电子中心的下一代 “ 龙腾”系列微处理器的研制和验证提供 了一定的资源。希望本论文的研究工作对后续的微处理器的研究具有其参考价 值。 1 .4论文安排 本论文是按照作者在p o w e r p c组中所承担的工作来安排的。 论文的第一章为绪论，介绍了本课题研究的背景、意义、研究现状、作者 的研究内容以及论文的结构安排。 第二章是对存取部件的研究工作的归纳，重点阐述了国内外为提高存取部 件 ( l o a d - s t o r e 部件和总线接口 部件)的性能而进行的最新研究成果。 第三章详细的讨论了“ 龙腾r 2 ” 中l o a d - s t o r e 部件的体系结构和设计实现， 并对 “ 龙腾r 2 ”的体系结构进行了简要的介绍。 第四章详细地阐述了p o w e r p c 6 0 x总线接口协议以及 “ 龙腾r 2 ” 总线接日 单元的设计实现。 第五章分两部分， 一是 “ 龙腾 r 2 ” 微处理器存取部件的模块级的仿真测试; 二是 “ 龙腾 r 2 f p g a整体验证系统的设计、综合、布线和测试。重点介绍了 为验证总线接口单元而进行的 “ 龙腾r 2 f p g a验证系统设计实现。 西北工业大学硕 士学位论文第章 绪论 号时序和接g协议己完全和p o w e r p c 7 5 0 相兼容。 同时完成了代码覆盖率和 功能覆盖率的测试，其代码覆盖率已 达9 7 .3 %，功能覆盖率达9 5 .3 % . 4 . 设计并实现了 “ 龙腾 r 2 ”的f p g a验证系统，并在此系统上成功通过了 用 户提供的小监控程序、大监控程序、浮点测试程序和特殊指令程序的测试， 中断的处理测试也己完成，目 前在作者所设计的系统中，现已成功完成了 嵌入式操作系统v x wo r k s b o o t r o m的系统测试。 在完成上述工作的同时，作者对微处理器系统的软件仿真程序 ( 包括大小 监控程序、浮点测试程序、特殊指令集程序和 v x wo r k s 操作系统)进行了深入 的研究，为航空微电子中心的下一代 “ 龙腾”系列微处理器的研制和验证提供 了一定的资源。希望本论文的研究工作对后续的微处理器的研究具有其参考价 值。 1 .4论文安排 本论文是按照作者在p o w e r p c组中所承担的工作来安排的。 论文的第一章为绪论，介绍了本课题研究的背景、意义、研究现状、作者 的研究内容以及论文的结构安排。 第二章是对存取部件的研究工作的归纳，重点阐述了国内外为提高存取部 件 ( l o a d - s t o r e 部件和总线接口 部件)的性能而进行的最新研究成果。 第三章详细的讨论了“ 龙腾r 2 ” 中l o a d - s t o r e 部件的体系结构和设计实现， 并对 “ 龙腾r 2 ”的体系结构进行了简要的介绍。 第四章详细地阐述了p o w e r p c 6 0 x总线接口协议以及 “ 龙腾r 2 ” 总线接日 单元的设计实现。 第五章分两部分， 一是 “ 龙腾 r 2 ” 微处理器存取部件的模块级的仿真测试; 二是 “ 龙腾 r 2 f p g a整体验证系统的设计、综合、布线和测试。重点介绍了 为验证总线接口单元而进行的 “ 龙腾r 2 f p g a验证系统设计实现。 西北 业大学硕士学位论文第二章 存取部件的技术研究 第二章存取部件的技术研究 在 r i s c微处理器中，存取部件分为两个部分，一个是访问数据 c a c h e的 l o a d - s t o r e 部件， 另外一个是访问外部存储器的总线接口部件。 它们都是微处理 器中数据传输的瓶颈，也是微处理器设计中值得研究人员深入研究的关键部件， 因此如何提高存取部件的性能，便成了微处理器设计中一个很重要的挑战。 本章将从提高存取部件的执行性能出发，分别来阐述国内外存取部件设计 的研究成果。 其中第一部分详细描述l o a d - s t o r e 部件的研究; 第二部分将详细描 述总线接口部件的研究。 2 . 1 l o a d - s t o r e 部件的研究 l o a d - s t o r e 部件 ( 以下简称 l s u )作为微处理器的内部数据传输通路，它 的主要功能是执行l o a d / s t o r e 指令， 负责处理来自定点部件和浮点部件的访存或 访c a c h e 请求，其简单结构框图如图2 - 1 所示: r e s u l t b u s e ff e c t iv e a d d r e s s e a ca l c r e a d /wr ite l o a d / s t o r e u n i t s to red a ta da t a c a c h e st o r e 图2 一1 l s u的简单结构框图 从图2 - 1 所示，l s u的输入是l o a d / s t o r e 指令的地址，对于s t o r e 指令，还 有需要存储的数据: l s u的输出是 s t o r e 指令的地址和需要存储的数据。从上图 西北 业大学硕士学位论文第二章 存取部件的技术研究 第二章存取部件的技术研究 在 r i s c微处理器中，存取部件分为两个部分，一