适用于RISC CPU的转移指令的原理及仿真研究

本文介绍的RISC CPU对转移指令的处理方法，为5级流水线作业，分别是取指、译码、执行、访存、回写，对转移指令的处理在取指级和译码级完成；译码级给出转移指令所包含的详细信息，取指级包含有地址计算单元，转移目标Cache (BTC)，跳转判断单元等。对转移指令的处理使用了延时跳转、2BC以及BTC方法。

1 转移指令的原理

该RISC CPU的指令集中包含有条件转移指令和非条件转移指令。所有的转移指令均使用延时转移，每条转移指令后面跟随一条延时槽指令;采用2BC预测条件转移是否跳转，而BTC则保存转移目标为固定地址的转移指令执行后的信息。以下分别介绍在该RISC CPU设计中转移指令的设计以及延时转移、BTC、2BC的具体实现方法。

2 转移指令类型及格式

该RISC CPU的指令集中包含条件转移指令(BCC)和非条件转移指令(CALL和RET)，其编码格式为图1所示。CALL指令包含2位的操作码和30位的绝对地址。BCC指令包含8位操作码， 4位条件码(Condition Code)，19位偏移量以及1位用来区分指令是否带A参数(即ANNUL操作)。所有的BCC指令使用相同的操作码，不同的BCC指令用条件码来区分，共有16类BCC指令；偏移量为带符号数，在低位用00扩展后可以对±220的相对地址寻址。RET指令包含8位的操作码和两个5位的寄存器地址。

3 2BC的作用及工作原理

因为转移指令执行一次之后，转移目标地址、延时槽指令都保存在BTC中了，当该指令再次执行时，这些信息就直接从Cache读出，因此在取指级就可以得到跳转目标地址和延时槽指令。对于非条件转移指令，跳转总是执行，因此BTC命中时就可以直接决定下一条指令的地址为转移目标地址，而当前周期DI被送到指令总线上；但对于条件转移指令，跳转与否是根据条件码和ALU的标志位来决定的。如果转移指令前面一条指令的执行结果改变标志位，而当BTC命中时该指令还在译码级，则跳转与否需要等待一个时钟周期才能决定。为了避免因为等待而造成流水线的停顿，采用2BC当前的状态预测跳转是否执行，在接下来的时钟周期，标志位有效之后，再检查预测是否正确，如果不正确，就进行更正。当预测准确时，采用2BC 与BTC可以使转移指令的执行时间缩短一个周期。即使预测不准确，与不采用预测相比也不会有损失。2BC的工作原理如图2所示，初始值为Nx(第一次不跳转执行)或Tx(第一次跳转执行)，t表示跳转执行，n表示跳转不执行。当HI为N或Nx时，预测跳转不发生；当HI为T或Tx时，预测跳转发生。

4 BTC命中

在取指周期开始时如果发现当前取指地址包含在BTC的TAG中，并且对应行的VI也有效，则认为BTC命中，从而启动命中任务：读出命中行的数据，把DI送到指令总线，如果是CALL指令，转移目标地址作为下一条指令的地址；如果是BCC指令则需要判断跳转是否发生：当标志位有效时，根据条件码与标志位判断，否则根据HI进行预测，然后确定下一条指令的地址：跳转时为转移目标地址，不跳转为PC+2。对于带A参数的BCC指令，在跳转不执行时，要禁止DI在下一时钟进入译码级。BTC命中的流程如图3。

5 BTC检查

如果前一周期BTC命中，则在当前周期开始时启动BTC检查任务；如果前一周期BTC是根据HI预测BCC的跳转，那么在当前时钟标志位有效后，要重新判断跳转决定是否正确，如果不正确就要进行更正，给出正确的取指地址，请求在下一时钟禁止译码级或执行级。同时还要根据最终的跳转情况和HI的更新算法更新HI。BTC检查的流程图如图4。

6 结论

整个RISC CPU用Verilog HDL语言进行了描述，并针对标准程序进行了仿真，仿真结果表明，采用上述方法处理转移指令可以明显提高流水线的吞吐率。由于在转移指令后面插入了延时槽指令，转移指令的执行与程序顺序执行时完全相同；BTC的使用虽然在硬件上增加了一些开销，但使转移指令再次执行时基本不占用流水线资源，大大提高了CPU的效率。