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西北工业大学硕士学位论文X86指令双发射译码控制部件的设计姓名

发布时间:2019-07-21 00:35 来源:未知 编辑:admin

  西北工业大学硕士学位论文X86指令双发射译码控制部件的设计姓名曹学飞申请学位级别 硕士专业 计算机科学与技术指导教师 张盛兵20070301摘要 结构的微处理器指令功能复杂 指令长度、格式不定。设计高效合理的译码器是加快指令译码速度 提高指令流水效率 进而有效提高处理器性能的重要保证。本论文来源于西

  西北工业大学硕士学位论文X86指令双发射译码控制部件的设计姓名曹学飞申请学位级别 硕士专业 计算机科学与技术指导教师 张盛兵20070301摘要 结构的微处理器指令功能复杂 指令长度、格式不定。设计高效合理的译码器是加快指令译码速度 提高指令流水效率 进而有效提高处理器性能的重要保证。本论文来源于西北工业大学航空微电子中心所承担的国家某预研课题 完成了“龙腾 ”微处理器的设计。“龙腾 ”微处理器兼容 “指令集 工作频率 正在进行后端设计 即将采用 微处理器“龙腾”中的指令译码器的分析 设计和验证 并在此单发射译码器设计的基础上 介绍了双发射超标量微处理器的译码逻辑的设计 同时对双发射译码器设计中的一些关键技术进行了详细的研究。论文的研究工作包括 详细分析了“龙腾 ”微处理器采用的指令集 并从指令类型、指令格式、数据类型、寻址方式等几个方面作了详细研究。 完成了“龙腾 ”微处理器译码器的设讦。详细介绍了译码器内部各模块的功能及其实现。 建立了一个 指令双发射的微处理器模型 介绍了该处理器模型流水线的划分 描述了指令前段取指策略及指令如何并行执行 给出了双发射指令译码的设计思路。 完成了 指令双发射处理器中指令译码器的设计 提出并实现了一种复杂指令长度的并行计算算法 并对指令如何分离。指令并行发射及相关性检查等关键技术进行了详细的阐述。本论文紧密结合预研课题 进行了 指令单发射和双发射处理器的指令译码研究 为进一步研究和设计高性能微处理器提供了方法和思路。关键词 微处理器 双发射 指令译码器 研究生在校上叟滇学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业人学。学校有权保留并同国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文彼查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名 日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知 除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实 愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名 日两北丁业大学硕十学位论文第章绪论 课题的背景及来源第一章绪论计算机的核心是处理器 处理器是指令的解码和执行机构。处理器可解释、执行的全部指令称为指令集 也称为指令系统。指令集体系结构的不同对外影响用户编程使用的效能 对内影响处理器中控制器的设计乃至整个处理器的设计。现代计算机系统理论认为指令集是影响指令流水效率的根本原因 诸如变长指令、复杂寻址等都会使指令流水变的困难【 因此采用什么样的指令集将极大地决定如何设计处理器的内部结构以及译码机制。目前指令集体系结构共有 三种类型。其中显示并行指令计算体系结构提出的较晚 世纪初才出现在 主要是指具有更大的指令集、更多的寻址方式、更多的专用寄存器和更强的指令计算功能的机器。指令数量越大指令功能越强 编译程序就得到简化 其性能也得以改善 但复杂指令难以使用且译码困难也是一大问题。对于精简指令集计算机 其核心思想是通过简化指令来使计算机的结构更加简单、合理从而提高 的运算速度。 概念的基本要素是 一个有限的简单的指令集 强调寄存器的使用 强调对指令流水线的优化 结构或许是处理器结构最重要的变革对传统计算机结构的技术和概念提出了挑战。 处理器虽然从指令集上来看仍属于 结构 但已经融入越来越多的 技术 实质上已经是 技术相结合的产物。指令的译码 需要把指令翻译为一系列执行单元可识别的基本命令一微命令。微命令是构成控制信号序列的最小单位 由控制部件通过控制线向执行部件发出。微操作 用于类微处理器内部操作的术语 它是执行部件中最基本的操作。微命令是微操作的控制信号 微操作是微命令控制的操作过程 实质上是同一信号在两个部件的不同称谓 对控制部件体现为微命令 对执行部件体现为微操作。相比 指令集 采用 指令集的处理器译码具有操作数寻址方式复杂、西北工业大学硕十学位论文第一章绪论指令执行周期长、多数指令都要访存等特点。为了实现指令的流水执行 基本上都要使用微程序来实现指令操作。将指令拆分为几个可单拍完成的小步骤 指令的操作控制信号预先写入 译码的过程在本质上就是将一条指令在译码器再次“汇编”为一串功能单一、类似某些指令、可单拍执行的更低一级指令 即微指令 从而实现微指令的流水发射。 指令采用微程序设计的优点是能够有效缩短新指令的微代码设计时间 比较容易实现向下兼容 新的指令集可以包含原有的指令集 保证向下兼容原有的软件 但是由于从 发出往往占用较多的周期 在执行速度上不如允许以硬件组合电路来实现指令操作的砒 指令集 因此目前的 微处理器 以来均采用两种控制逻辑 译码时将常用的简单指令采用组合逻辑实现 如寄存器之间的数据传送指令 而对于不常用的和复杂的指令则采用微程序控制实现 从而加快指令的执行效率。本论文主要通过分析 指令集构成特点 借鉴 公司 指令进行了深入研究。完成“龙腾 ”微处理器中指令译码器的设计 提出并实现一种并行计算 指令长度的方法。 可配对简单指令并行发射的研究与实现。 复杂指令如何通过微程序控制器实现微指令的执行。 双发射译码逻辑中分支预测与分支目标缓冲的设计。论文豹研究内容来源于西北工业大学航空微电子中心所承担的菜预研课题 位嵌入式处理器“龙腾 ”的研究与设计。该处理器为 体系结构 兼容 指令集 采用自顶向下的正向设计方法 最终设计目标是 实现包括定、浮点单元和数据指令 、支持段页式存储管理机制、保护模式和指令流水的高性能处理器。 国内外研究现状从指令集的角度对微处理器进行分类 可分为 复杂指令集计算机 精简指令集计算机两类。 结构的微处理器采用超标量、多线程、多核结构。性能不断提高。 结构的微处理器虽仍然采用 指令 但其内核也大量采用砌 技术。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论目前基于 结构的微处理器在市场十分流行 因此国内大部分单位都是研发基于砌 结构的微处理器 但是在工控领域 基于 结构的微处理器应用十分广泛。基于 结构微处理器的研发单位 除西北工业大学航空微电子中心外 还有复旦微电子、深圳国微电子、国防科技大学等几家 但是 复旦微电子和深圳国微电子都是采用逆向工程进行研发 国防科技大学也是部分如此 西北工业大学航空微电子中心采用全面正向设计 不仅提供微处理器硬核也提供软核。指令译码器是处理器的重要部件之一 无论 还是 处理器都需要对指令进行译码。处理器的工作从根本上可以看作是一个周而复始的取指令、译码 执行过程。对指令译码简单的理解就是把指令翻译成处理器中的各种控制信号。从这个意义上看 译码器可以做的工作很多 包括研究高效的取指算法 译码的方式 译码后指令的发射策略等等 甚至每一个方面都可以扩展为一个课题。国内很多单位都对指令译码进行了研究。国防科技大学计算机学院和中国科学院计算技术研究所对预取技术进行了广泛深入的研究 沈立等提出了 种基于程控流的混合指令预取机制 采用顺序预取和非顺序预取相结合的方式将指令提前读入指令 【朋。复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室研究了 微处理器的指令译码方法 屈晓波等提出了一种状态分拆法来提高译码速度 中国科学院微电子研究所的韩亮等提出了相对集中的分布式译码方法能支持可重构和复杂流水线的处理器 并且降低了功耗。合肥工业大学微电子设计研究所的王晓蕾等针对 处理器 设计了 译码器 这种译码器通过内部控制信号实现步长的跳转 在控制信号对于寻址方式可以实现时间和空间复用基础上 实现了控制信号对不同指令的时间和空间的复用 能节省电路面积。国防科技大学设计的 通用微处理器在指令译码中采用了一种并行的指令长度算法从而快速的实现复杂指令的分离。西北工业大学航空微电子中心在该领域也做出了大量的研究工作 易海峰对指令译码进行了深入研究 在状态分拆法的基础上提出了一种快速译码策略 论文的安排本文的内容共分五章具体的安排如下 第一章 绪论 主要介绍论文的课题来源以及国内外对指令译码的研究情况。第二章 ”微处理器译码器设计介绍了“龙腾 ”处理器的整体结构及其采用的指令集 主要描述了译码逻辑的功能及设计。第三章 指令双发射微处理器模型 构造一个双发射超标量的微处理器模西北工业大学硕士学位论文第一章绪论型 从而为下文双发射处理器译码逻辑的设计提供参照第四章 指令双发射译码逻辑的设计 给出了双发射译码逻辑的整体结构 并对其内部各功能模块的设计作了详细说明。第五章 结束语 总结了本论文所做的研究工作。两北 业大学硕十学位论文第二章龙腾 微处理器译码器的设计第二章。龙腾 ”微处理器译码器的设计本章介绍“龙腾 ”微处理器中指令译码器的设计 前两节介绍“龙腾 ”的指令系统及其整体结构 第三节是本章的重点 详细描述了指令译码器的设计。 ”的指令系统指令系统是一种典型的 指令 有十一种操作 分别是 数据传输、算术运算、移位循环操作、字符串操作、位测试操作、控制转移操作、高级语言支持、操作系统支持、处理器控制操作、浮点数据操作和浮点控制操作 指令的编码格式如图所示 它包含一个或多个前缀 一个单字节或双字节的操作数 一个寻址方式字节 一个比例 变址 基址字节 指令格式图图中各域的详细说明如下 前缀前缀由 个字节组成 即指令可以有一个或多个前缀 或者没有前缀。前缀表明指令执行时是否锁定总线、用何种方式重复执行、使用哪一个段以及地址和操作数的尺寸大小。前缀具体可分为以下四种 指令锁定前缀和指令重复前缀 。它们只能与特定的指令配对 前缀 在多处理器环境中用来确保对共享存储器的排他性使用 仅与下列指令搭配使用 前缀仅用于串指令 西北丁 业大学硕士学位论文第二章龙腾 微处理器译码器的设计 前缀仅用于串指令 前缀 仅用于串指令。 段超越前缀明确指定一条指令应该使用哪个段寄存器来代替默认的段寄存器 段超越前缀段超越前缀 段超越前缀 段超越前缀 段超越前缀 段超越前缀。 操作数尺寸前缀用来指示其为 位操作数操作还是 位操作数操作。 地址尺寸前缀 位寻址和位寻址的选择开关。每一种大小都是默认的 本前缀是选择不是默认的那种。操作码操作码指定指令的操作类型、数据的流向、操作数的长度等信息 是一条指令中必不可少的字节。操作码占一个或两个字节 分成单、双字节操作码 当指令玛的第一个字节为 来指定数据的流向、操作数的长度以及一个寄存器的操作数是否执行符号扩展等信息。域用来指定指令的寻址方式 它被分成三个子域 见图 字段组合以形成种可能的值 个寄存器和 种变址方式 此外决定编码中是否包括 字节和 指定一个由操作码字节中域决定尺寸的寄存器操作。 它的解释是由域来控制 以便决定指令是在 位方式下还是 位方式下运行

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