高性能可扩展指令集计算.docx
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高性能可扩展指令集计算
高性能可扩展指令集计算
韩国先进数字芯片公司（AdvancedDigitalChipsInc.）
摘要
在这篇论文中，咱们提出了一种新的体系结构EISC（即可扩展指令集计算机），而且讨论了在嵌入式微处置器系统中存储器容量大小和性能的关系。
这中结构利用一套高效、定长的16位指令集，利用短偏移量和当即数，而且通过扩展标志位的操作，这种短偏移量和当即数能扩展到32位。
EISC指令集的代码密度和它的存储器数据传送性能大大优于现存的结构。
因此EISC结构超级适和下一代嵌入式计算机系统。
1．序言
自从七十年代以来，微处置器已应用在许多嵌入式系统中，这样的产品多种多样，从家用自动化、工业控制到此刻的PDA产品和网络计算机[1]。
在八十年代，RISC结构【2】的出现使得微处置器能够进入小型计算机应用领域。
随后，半导体技术进一步发展，微处置器的操作速度也有了更大的提高【4－7】，而且同时引入了超标量结构【3】。
虽然已取得这么多的进步，程序的执行仍然需要从存储器中读取程序和数据。
最近几年来存储器的存储容量大幅增加，读写时间也大大缩短，可是它们的性能增加速度仍是不能知足微处置器对其的需要。
如：
在1980年，DRAM的存取时间为250nsec；到1988年，它的运行频率达到300MHz——快了70倍。
可是在同期间，微处置器核却从8M（8086系列）增至到500MHz（Pentium2系列）。
若是P2的超标量特性也算在内，它的性能实际上可达到1GHz——快了120倍。
很明显，微处置器的瓶颈既在存储器和CPU的速度不同上，又在连接CPU和存储器的总线结构的物理特性上（从位宽和吞吐量方面分析）【8】。
而且在集成了存储器、微处置器和I/O电路的微处置器单片系统中，芯片的价钱主要取决于其尺寸大小。
由于存储器电路（RAM和ROM）占了大部份区域，所以芯片的价钱受存储器容量大小的影响。
在这篇文章中，提出了可扩展指令计算机结构（EISC）。
这种EISC结构有一套高效、定长的指令集，并采取短偏移量和小当即数。
它能有效地解决存储容量和带宽这个问题，它们的短偏移量和当即数也能够通过扩展标志位（e—flag）扩展到32位。
这样能提高32位微处置器的代码密度。
同时还提出了一套方案来解决e－flag对深度管道和超标量结构的影响。
在文章中，咱们同时也拿MIPS－R3000与可扩展指令集结构（EISC）进行比较，从而说明这种结构引出的原因和实现的方式。
2．嵌入式微处置器
最近几年来在嵌入式微处置器这个领域，对总线带宽和存储容量这对矛盾已经做了很多工作。
一种方式是
依照不同的结构形式进行代码紧缩（【9】，【10】，【11】）。
如：
在文【12】中，提出了一种软件方式【13】。
它采用一个代码字来作为一系列指令序列的索引，并用这个索引代替经常常利用的指令序列。
另外一种方式是指在32位RISC结构中所采用的一套紧缩16位指令集。
ARM－7TDMI【14】是指
ARM－7的16位紧缩指令集版本；TR4101是指MIPS－R3000（【1】，【14】）的16位紧缩指令结构。
这些带16位紧缩指令集的RISCs结构很复杂因为它们需要与此刻的RISC兼容，而且这种版本只能寻址8个寄放器，从而减弱了其性能。
3．扩展指令集
为了详述EISC的指令集，咱们先从现有的一些处置器（特别是MIPS－R3000）的指令集分析开始，为此咱们采用了【15】、语言库【16】、LIBSTDC++语言库【17】和各类测试例程。
这样分析能得出嵌入式微处置器系统的一般特性（其中某些特性是这些处置器共有的）。
如：
。
16个通用寄放器一般能达到最优。
。
Load和Store指令利用频繁，而且大部份采用短偏移量寻址
。
小常数利用频率高
为了更有效地支持这些特性，EISC结构利用16位定长指令系统而且通过扩展偏移量和常数来构造32位指令系统。
同时采取了两项技术来增加代码密度：
构造专用寄放器表来执行push和pop指令；利用硬件互锁来解决深度管道问题（再也不需要利用许多NOP指令）。
下面，咱们分析MIPS-R3000来讲明EISC主要体系结构的特点。
EISC寄放器
MIPS－R3000有34个32位寄放。
其中2个专门用来“乘和除”；5个是专用寄放器，用来进行堆栈操作、帧指针和条件码操作；其余的27个是通用寄放器。
为了研究代码长度和利用的寄放器数量的关系，咱们采用不同数量的寄放器，运用EGCSC/C++编译器产生基于C/C＋＋库和测试例程的代码，而且进行比较。
从表1里，咱们能看到随着通用寄放器数量愈来愈少，代码也变得愈来愈大（咱们把利用27个寄放器的例子定位标准，为100），Load和Store指令的利用频率也在增加。
由于Load和Store指令利用存储器和总线，它们直接影响发送数据的位宽。
咱们可以看到当通用寄放器数量从22减到16时，程序规模和所用的Load、Store指令数量都没
有什么大的转变。
当采用8个寄放器时，寄放器显然太少，此时Load、Store指令几乎加倍。
因此，EISC采用了16个寄放器。
No.ofRegs
Programsize
Load/Store
Move
27
%
%
24
%
%
22
%
%
20
%
%
18
%
%
16
%
%
14
%
%
12
%
%
10
%
%
8
%
%
Table-1.Programsizevs.numberof
registersforMIPS-R3000.
Instruction
Frequency
move
%
lw,sw
%
nop
%
addiu
%
li
%
lui
%
sh,sb,lh,lb,lhu,lbu
%
bnez,bne,beqz,beq,bltz...
%
j,jal
%
jr
%
Addu,subu,and,or,xor,nor,negu
%
Andi,ori,xori
%
jalr
%
slt,sltu,slti,sltiu
%
sll,srl,sra,sllv,srlv,srav
%
Mult,multu,div,divu
%
Break,mfhi,mflo
%
Table-2InstructionfrequencyofMIPS-R3000
withsixteengeneral-purposeregisters.
Load、Store体系
表2列出了编程时只利用16个通用寄放器的MIPS－R3000CPU所利用的所有指令的频率。
EISC结构有点象RISC结构，它所有的操作都通过寄放器，采用寄放器操作对象，对存储器的访问只通过Load、Store指令。
从表2各类指令出现的频率咱们可清楚地看到在这种情况下（只利用16个通用寄放器），Load、Store结构对处置器性能的影响也已经很小。
其原因是因为采用存储器参数的指令（如addu、Subu、and等）出现的频率很小。
16位定长可扩展指令
从表2中咱们也可得出MOVE指令利用频率最高，达到20－27％。
EISC有16个寄放器，因此需要4bits来表示目的和源寄放器。
这样16bits完全能知足MOVE指令的操作利用。
利用16位定长指令也可简化硬件。
虽然大多数指令（如MOVE指令）都能用16位定长进行操作。
但同时也有另外一些指令像利用当即数的指令（如Load、Store操作）因为受偏移量和常量位数的限制，它不能完全用16位定长进行操作。
其中Load、Store指令的93.5%需要利用32位操作数。
对lw（输入字）和sw（存储字）的特性进行更详细的分析，咱们能够得出大约61%的指令涉及到堆栈指针，大约40%的指令利用索引寄放器。
在后一种情况，有77%只需用3bits偏移量就可表示出来。
Offsetlength
Stackpointer%）
Indexregister
%）
3bit
%
%
4bit
%
%
5bit
%
%
6bit
%
%
7bit
%
%
Table3Characteristicsof
'lw'and'sw'instructions
Constantrange
Frequency
-32--+31
%
-64--+63
%
-128--+127
%
-256--+255
%
Others
100%
Table4OperandSizeof
‘li’instruction
利用当即数的指令（如li－输入当即数）并超级常利用，仅仅占全数指令的%.另外，从表4咱们可以看出93.6%的指令用8bits表示即可。
这样一来，绝大多数指令可以用短的偏移量或当即数来实现。
这样的情况既适合于像lw（输入字）和sw（存储字）这样的指令，也适合于诸如addiu、slti、sltiu这样的算术指令。
3.4扩展寄放器和扩展标志位
EISC结构利用E标志（扩展寄放器和扩展标志位）从相近的指令中形成长操作数。
E标志是一个集合。
当一个操作数送到32位扩展寄放器（即%ER）时，E标志位置1。
用Leri指令（加载扩展寄放器指令）来实现条件转换，由E－flag进行控制，在扩展寄放器中形成长当即数。
如图1所示。
Load、Store指令利用E－flag来构造有效地址或32位常量。
如图2所示，当E标志位置1时，有效地址＝%ER<<4＋偏移量＋索引寄放器。
因为32位Load、Store指令数量很少，所以这种方式对微处置器的性能影响不大。
InstructionMnemonics:
LERI
InstructionFormat:
LERIconstant
InstructionRepresentation:
bit15-14=01
bit13-0=constantdatabit13-0
Operation;
If（Eflagis0）Load%ERwithsignextendedconstant
ELSE%ER=%ER<<14+Constant
SetEflag
Figure1.OperationoftheLERIinstruction
InstructionFunction:
Load/Store
InstructionRepresentation:
bit15-14=00
bit13-12,7=Operation
000:
signextend8bitloadLDBSRCDST
001:
signextend16bitloadLDSSRCDST
010:
32bitloadLDSRCDST
011:
Zeroextend8bitloadLDBUSRCDST
100:
8bitstoreSTBSRCDST
101:
16bitstoreSTSSRCDST
110:
32bitstoreSTSRCDST
111:
Zeroextend16bitloadLDSUSRCDST
bit11-8=Source/Destinationregister.%R0to%R15.
bit6-4=offsetbit2-0if8bitload/store
=offsetbit3-1if16bitload/store
=offsetbit4-2if32bitload/store
bit3-0=Indexregister.%R0thru%R15.
Effectiveoperandaddress:
EA
Operation:
If（Eflagis0）
EA=Zeroextendoffset+Indexregister
If（Eflagis1）
if（32/16bitload/store）
EA=%ER<<4+Offset+Indexregister
if（8bitload/store）
EA=%ER<<3+Offset+Indexregister
Figure2.OperationoftheLDinstruction
堆栈指针
如表3所示，涉及到堆栈指针的Load、Store指令和涉及到索引寄放器的Load、Store指令需要不同长度的操作数。
对于前一种情况，所需偏移量要超过5位；而对于后一种情况，大部份指令（大约77%）只需用3位操作数。
正因为如此，32位EISC指令集用7位来表示Load、Store指令的堆栈操作。
在上面的分析实验中，堆栈操作（push和pop）利用频率很高（约%）。
而且当8个寄放器绑定在一路时，push、pop寄放器操作数大约为。
这表明值得加入push、pop表类型的指令。
相对RISC机械来讲，这种方式在CISC结构中更常常利用。
它能减少push、pop指令所用的存储器量，但也带来一些问题。
它影响超标量和深层管道设置。
一个很简单的解决方式就是禁止在这样的设置中的单指令执行多重push、pop指令。
由于不需要完全知足二进制兼容，这种方式完全可行。
从表2可以看出Addiu（当即数加法指令）利用频率是%。
在这些指令当中，堆栈指针利用频率达到35%,而且95%利用7位常数操作码。
所以32位EISC指令集针对堆栈指针概念了7位常数操作码计算能力。
其余指令
如表2所示，条件转移指令利用的频度为%。
在EISC指令集中，通过进位标志位、符号标志位、零标志位和溢出标志位形成14种条件转移指令。
这些指令的偏移量定为9bits，并通过扩展标志位扩展到32位。
也同时可看到，在所有的ALU指令中约48.5%利用二个操作数，%利用三个操作数。
可是，三操作数指令能通过利用MOVE指令和相应的二操作数指令来代替。
在EISC结构中就采取了这种方式。
像乘和减这样的指令用得很少，但它们在多媒体应用中很有效，而且这种指令的性能很大部份取决于操作方式。
EISC用2个32位寄放器（%ML和%MH）来存储乘、减操作的结果。
EISC也可加入一系列的协处置器来完成特别的功能。
每一个协处置器有16个通用寄放器。
“0”协处置器是一个系统协处置器，用来管理缓存、管道和存储器等。
另外一些协处置器用来进行浮点运算和多媒体加速。
协处置器指令位数通过利用扩展寄放器能扩到20位或30位。
4.性能评估
咱们用RCD（相对码密度）来评价EISC结构并现有的微处置器进行比较对比。
RCD概念如下：
32位EISC码密度用来比较的微处置器的程序大小
RCD＝―――――――――――＝――――――――――――――――――
用来比较的微处置器的码密度32位EISC的程序大小
在这次评估中咱们用一个交叉C/C＋＋编译器，对C/C++库和测试例程别离在32位EISC和现存的微处置器上进行编译测试，然后得出RCD数据如表7所示。
Processor
RCD
Processor
RCD
32bitEISC
MC88000
MIPS-R3000
MC5200（Coldfire）
TR4101（MIPS-16）
MC68000
MIPS-R4000
MC68332
MIPSTX-39
MC68020
ARM-7
MN10300
ARM-7TDMI（THUMB）
Pentium（I80386）
PowerPC601
I80960
SPARCV8
ARC
SPARCLITE
SH-3
PA-RISC
V850
Alpha-RISC
M32R
Table7.RelativeCodeDensityof32-bitEISC.
32bitEISC
TR4101
ARM-7TDMI
RCD
Load/Store
%
%
%
Table8Comparisonbetween32bitEISC
and16bitcompressedRISC
从表7，通过比较EISC和现有的微处置器测试结果，咱们可以看出EISC的相对码密度是最高的（即码块最小）。
如，在测试基准例程中，EISC的码密度比MIPS－R3000高66%（采用32位RISC结构测试例程）。
ARM－7与EISC相较，相对码密度达到.
乃至CISC处置器如MC68000、I80386，它们的RCD数字也从到不等。
这说明CISC处置器的程序规模也比EISC的大20%到40%.
与EISCRCD数字最接近的是ARM－7TDMI和TR4101。
它们是16位紧缩RISC处置器。
可是这些结构只能寻址8个通用寄放器，它们加大了Load、Store指令的利用频度，也就相应增加了必需的存储带宽。
如，
TR4101的程序规模比EISC的大7%，Load、Store指令的操作频度却大18%。
这样一来，TR4101就需要比EISC高25%的数据发送率。
对ARM－7TDMI来讲，也需要多30%的数据发送率。
5.结论
这篇文章提出了一种新的结构EISC（可扩展指令集计算机）。
它主要面向嵌入式系统市场。
嵌入式处置器的性能价钱比特别受其存储系统的容量和带宽的影响。
在这方面EISC比现有的处置器有了很大的提高。
通过利用扩展寄放器和扩展标志位，EISC有一套高效的定长16位指令集。
它采取短偏移量和当即数，而且这种短偏移量和当即数通过对扩展标志位的操作可扩展到32位。
利用这套机制，EISC结构能够取得更高的代码密度，相当于现有的RISC处置器140%到220%，比CISC高20%到40%，乃至与诸如ARM－7TDMI这样子的RISC处置器相较，虽然它们利用16位紧缩指令集，EISC的程序规模仍然比其小5%到15%,而且其Load、Store指令利用频率低15%。
因此，EISC结构超级适合于要求代码小、存储带宽低的嵌入式应用系统中。
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