基于SPARC结构的RISC系统设计技术
- 格式：pdf
- 大小：149.45 KB
- 文档页数：3
统功能集成在一个处理器上， 为单处理器系统提供 了更高的效益。 已经推出的 S/L4=)<=4- !; 的频率达 到 7""QTU， 未 来 的 S/L4=)<=4- " ; 的 频 率 将 达 到 为用户提供理想的性 #QTU。最后是嵌入式 0 系列， 能价格比。嵌入式应用主要包括瘦客户机、 电缆调 制 解 调 器 和 网 络 接 口 等 。 )MF 公 司 还 将 推 出 主 频
$ 指令 A(+YI 的引入 )B>CA 像 一 般 的 C2)A 计 算 机 一 样 在 AB$ 和 主存之间设置 A(+YI ， 用于解决速度匹配的问题。 同 时， )B>CA 为了能够实现高效的流水线机制，要求
每条指令都能 在 单 周 期 内 完 成 ， 故采用了“ 哈佛结 构” ，即：设置两个彼此独立的指令 A(+YI 和数据
!,067 8 9，还配备了 -37 的二级高速缓存，性能很
好。 $%&’()*(’+ ! 和 ):%(’;9 操作系统的应用实现了 百分之 百 的 二 进 制 兼 容 ， 完 全 支 持 客 户 的 软 件 投 资， 得到众多的独立软件供应商的支持。不仅如此， 为了帮助原设备厂商尽快把产品推向市场， 集中精 力开发产品， )<= 公司还开发了 )*(’+ 处理器主板， 包括 >?@ 和 A:.*(+&BA2 两个系列。
" 面向寄存器堆的结构 C2)A 设计思想的最主要特点是所有的操作都
是面向寄存器的。寄存器—寄存器操作的指令充分 利用了当今 1N)2 工艺技术中的高速片上频宽来进 行数据传送， 从而 加 快 了 速 度 ， 而且还简化了指令 控制逻辑， 这样又进一步缩小了硬布线逻辑构成的 控制部件的芯片面积， 使整个芯片上可以提供更多 的寄存器。 在 )B>CA 完全遵循了 C2)A 的这一思想， 设计中定义了一个较大容量的寄存器堆（ 一般至少
2,3042* 结构的 ’5678"， 90:;- 的 )<=4- >7 结构的 9)*?@&A， )BCD>5 的 E(2) ’&""" 结 构 的 E,FG,,H0I>。
受设计技术和生产工艺等多方面的约束， 国内 在 ’()* 微处理器方面的研究和应用水平，与国外 的差距仍然很大。总的来讲， 处理器性能较低， 且依 赖于进口， 无法满足航天器实现更多自主控制和数 据处理的需求。为了改变这一现状， 我国急需在设 计过程中采用一种能够在外层空间环境下正常工 作、在宇宙线照射条件下不出现暂态误动作的、 以 容错功能为主导的计算机体系结构。欧空局为了摆 脱美国对其空间能力的制约而独立开发了一种基 于 )25’* >7 结 构 的 面 向 空 间 应 用 的 微 处 理 器 ：
A(+YI。指令 A(+YI 用于取指令，只读不写；数据 既读又写。就控制而言， 指令 A(+YI 用于存取数据，
3.
微电子学与计算机
!""! 年第 ## 期
89OME 比数据 89OME 的简单。这种结构使得取指令
和存取数据可以并行执行， 从而提高了系统的执行 效率。例如： 原本至少需要两个机器周期才能完成 的 \*Zb 1 )2*PR 指令现在也可在单周期内实现。
&""、 R""、 8""ETU 等版本 的 处 理 器 。 #@@@ 年 ? 月 ，
!""! 年第 ## 期
微电子学与计算机
DT
它采用先进的 ",#-.. 工艺 $%&’()*(’+ ! 首次亮相， 制造。该处理器全部采用 /0 位结构和 12) 指令集， 时钟频率从 /""345 起， 可用于高达 #""" 个处理器 协同工作的系统上。 $%&’()*(’+ ! 的内存带宽达到
C2)A 处理器更容易设计和纠错。 )B>CA 是 一 种 C2)A 类 型 的 AB$ 指 令 集 体 系 结构。它以 A(%;H:’=;( 7I’JI%IK 大学（ #L-"F#L-! 年） 设计出的 7I’JI%IK C2)A 2M22 为基础， 但不同的是： )B>CA 具有较为灵活的寄存器管理模式，不再像 7I’JI%IK C2)A 2M22 中 那 样 束 缚 在 进 程 的 调 用 和 返 回 （ A>NNO P3BN）中，而是用独立的指令（ )>1QO 来进行寄存器管理。 作为 C2)A 类型的体 CQ)?RCQ） 系结构， )B>CA 在 其 具 体 定 义 中 充 分 体 现 了 C2)A
37-/L"" 有 G 个 窗 口 ， AK*’I99 的 AXGA/"# 有 - 个 ! "#$%& !" %’"& #$%& 精简指令集计算 ） 的设计思想是为了简 C2)A （
化硬件设计， 即硬件只执行很有限的最常用的那部 分指令 ， 大 部 分 复 杂 的 操 作 则 使 用 成 熟 的 编 译 技 术， 由简单指令合成。这使得设计师可以用相对少 的晶体管设计出极快的微处理器。一般来说， C2)A 处理器比同等的 A2)A 处理器要快 D"EFGDE ， 同时 窗口。我们可以把窗口看作是一个用于传递参数以 及存储局部数据和返回地址的 A(+YI 。利用寄存器 窗口的重叠和当前窗口的指针改变可以实现过程 调用 8 返回时传递参数和结果的功能。由于窗口构 成环形结构， 因此当窗口不够用产生溢出时必须防 止破坏最早窗口的内容， 为此专门设置一个窗口用 于陷阱处理程序。上溢陷阱处理程序把最早的一个 或几个窗口的内容保存到存储器中。因为这个过程 对用户来讲是透明的， 故可以认为有无限多个窗口 可使用。 规整化的指令格式 # 简单化、 在 C)2A 中，为了提高其性能，必须充分利用 做 AB$ 与 A(+YI 之 间 传 送 数 据 8 指 令 的 高 速 频 宽 ， 到基本指令能在一个机器周期内完成。这就需要采 用流水线技术， 充分利用计算机内部操作的并发性 来提高执行效率。为此， 要求 C2)A 的指令格式简单 化、 规整化。在 )B>CA 中所有的指令均为 T! 位宽， 而且指令中操作码字段、 操作数字段都具有统一的 即： 指令的操作 格式。 )B>CA 采用三地址指令格式， 数放在两个寄 存 器 中 （ 或一个在寄存器中， 另一个 为立即数） ， 并将最终结果放在第三个寄存器中。这 种体系结构使得指令的操作可以规整化， 有利于流 水线的执行， 还可以提高译码操作效率， 并使译码 控制逻辑电路简化。
A’*&!。这一成功经验对我国航天 ’()* 系统设计
的发展起到了一定的启发和引导作用。在综合考虑 卫星、 飞船 、 空间站等航天飞行器对微处理器的需 求以及目前国内外研究状况等各种因素的前提下， 我国目前在航天系统应用研究中普遍采用了
)MF 公司自己研发的 )25’* 芯片。 根 据 )MF 公 司 未 来 的 发 展 规 划 ， 在 ?R 位 主要有 & 个系列， 首先是可 S/L4=)<=4- 处理器方面， 扩展式 H 系列， 主要用于高性能、 易扩展的多处理器 系统。目前 S/L4=)<=4- !H 的频率已达到 78"ETU。 并且即将推出 S/L4=)<=4- "H 和 S/L4=)<=4- #H 等型 号。其中 S/L4=)<=4- "H 的频率为 #QTU， S/L4=)<=4它将多种系 #H 则为 #P8QTU。其次是集成式 ; 系列，
有 T! 个寄存器） 。例如： U<V;&9< 公司的 37-/L"# 芯 片中寄存器组的容量为 #!"WT! 位。所有的寄存器 主要分为两种 类 型 ： 一类是只能由系统访问， 而用 户不能访问的系统寄存器； 另一类是用于通常操作 的工作寄存器。 寄存器窗口” 的方式对寄存 器 组 )B>CA 采用“ 进行管理。 “ 寄存器窗口” 这一概念是由 $A 7I’JI%IK 针对提高编译器效率以及大量减少存储器 NR>S 8 它将工作寄存器组成若 )?RCQ 指令而首先提出的。 干个窗口， 建立起环形结构， 利用重叠寄存器窗口 技术来加快程序的运转。例如： U<V;&9< 公 司 的
的设计思想。具体来讲， 为了提高流水线的执行效 率并使优化编译器能生成优化代码， )B>CA 实现了 下述特征： 简单而 且 统 一 格 式 的 指 令 译 码 、 大部分 指令在单周期内执行、只有 NR>S 8 )?RCQ 指令可 以访问存储器、 简单的寻址方式、 三地址指令格式 等等。)B>CA 系统中体现出的 C2)A 设计思想主要 包括以下几点：
8!
微电子学与计算机
!""! 年第 ## 期
*+ #$%&’ ,-% &(#’ #$./01
9K0 ’()* )VHL0: 60H;GF 90-KF,/,GV W=H01 ,F LK0 )25’* 54-K;L0-LM40
西安微电子技术研究所
6
23
+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5
X西安 7#""8RY
指出 )25’* 体系结构已成为航天 ’()* 系统设计的基 78 文章首先介绍了国内外 ’()* 系统的研究现状，
础。并着重说明了 )25’* 系统的发展现状及其体现出的 ’()* 设计思想， 最后强调了改进体系结构的重要性和 意义。 寄存器窗口， 体系结构 ’()*， *=-K0， 9:;8 )25’*，
!
!"
随着超大规模集成电路和深亚微米工艺日趋
$ 指令 A(+YI 的引入 )B>CA 像 一 般 的 C2)A 计 算 机 一 样 在 AB$ 和 主存之间设置 A(+YI ， 用于解决速度匹配的问题。 同 时， )B>CA 为了能够实现高效的流水线机制，要求
每条指令都能 在 单 周 期 内 完 成 ， 故采用了“ 哈佛结 构” ，即：设置两个彼此独立的指令 A(+YI 和数据
!,067 8 9，还配备了 -37 的二级高速缓存，性能很
好。 $%&’()*(’+ ! 和 ):%(’;9 操作系统的应用实现了 百分之 百 的 二 进 制 兼 容 ， 完 全 支 持 客 户 的 软 件 投 资， 得到众多的独立软件供应商的支持。不仅如此， 为了帮助原设备厂商尽快把产品推向市场， 集中精 力开发产品， )<= 公司还开发了 )*(’+ 处理器主板， 包括 >?@ 和 A:.*(+&BA2 两个系列。
" 面向寄存器堆的结构 C2)A 设计思想的最主要特点是所有的操作都
是面向寄存器的。寄存器—寄存器操作的指令充分 利用了当今 1N)2 工艺技术中的高速片上频宽来进 行数据传送， 从而 加 快 了 速 度 ， 而且还简化了指令 控制逻辑， 这样又进一步缩小了硬布线逻辑构成的 控制部件的芯片面积， 使整个芯片上可以提供更多 的寄存器。 在 )B>CA 完全遵循了 C2)A 的这一思想， 设计中定义了一个较大容量的寄存器堆（ 一般至少
2,3042* 结构的 ’5678"， 90:;- 的 )<=4- >7 结构的 9)*?@&A， )BCD>5 的 E(2) ’&""" 结 构 的 E,FG,,H0I>。
受设计技术和生产工艺等多方面的约束， 国内 在 ’()* 微处理器方面的研究和应用水平，与国外 的差距仍然很大。总的来讲， 处理器性能较低， 且依 赖于进口， 无法满足航天器实现更多自主控制和数 据处理的需求。为了改变这一现状， 我国急需在设 计过程中采用一种能够在外层空间环境下正常工 作、在宇宙线照射条件下不出现暂态误动作的、 以 容错功能为主导的计算机体系结构。欧空局为了摆 脱美国对其空间能力的制约而独立开发了一种基 于 )25’* >7 结 构 的 面 向 空 间 应 用 的 微 处 理 器 ：
A(+YI。指令 A(+YI 用于取指令，只读不写；数据 既读又写。就控制而言， 指令 A(+YI 用于存取数据，
3.
微电子学与计算机
!""! 年第 ## 期
89OME 比数据 89OME 的简单。这种结构使得取指令
和存取数据可以并行执行， 从而提高了系统的执行 效率。例如： 原本至少需要两个机器周期才能完成 的 \*Zb 1 )2*PR 指令现在也可在单周期内实现。
&""、 R""、 8""ETU 等版本 的 处 理 器 。 #@@@ 年 ? 月 ，
!""! 年第 ## 期
微电子学与计算机
DT
它采用先进的 ",#-.. 工艺 $%&’()*(’+ ! 首次亮相， 制造。该处理器全部采用 /0 位结构和 12) 指令集， 时钟频率从 /""345 起， 可用于高达 #""" 个处理器 协同工作的系统上。 $%&’()*(’+ ! 的内存带宽达到
C2)A 处理器更容易设计和纠错。 )B>CA 是 一 种 C2)A 类 型 的 AB$ 指 令 集 体 系 结构。它以 A(%;H:’=;( 7I’JI%IK 大学（ #L-"F#L-! 年） 设计出的 7I’JI%IK C2)A 2M22 为基础， 但不同的是： )B>CA 具有较为灵活的寄存器管理模式，不再像 7I’JI%IK C2)A 2M22 中 那 样 束 缚 在 进 程 的 调 用 和 返 回 （ A>NNO P3BN）中，而是用独立的指令（ )>1QO 来进行寄存器管理。 作为 C2)A 类型的体 CQ)?RCQ） 系结构， )B>CA 在 其 具 体 定 义 中 充 分 体 现 了 C2)A
37-/L"" 有 G 个 窗 口 ， AK*’I99 的 AXGA/"# 有 - 个 ! "#$%& !" %’"& #$%& 精简指令集计算 ） 的设计思想是为了简 C2)A （
化硬件设计， 即硬件只执行很有限的最常用的那部 分指令 ， 大 部 分 复 杂 的 操 作 则 使 用 成 熟 的 编 译 技 术， 由简单指令合成。这使得设计师可以用相对少 的晶体管设计出极快的微处理器。一般来说， C2)A 处理器比同等的 A2)A 处理器要快 D"EFGDE ， 同时 窗口。我们可以把窗口看作是一个用于传递参数以 及存储局部数据和返回地址的 A(+YI 。利用寄存器 窗口的重叠和当前窗口的指针改变可以实现过程 调用 8 返回时传递参数和结果的功能。由于窗口构 成环形结构， 因此当窗口不够用产生溢出时必须防 止破坏最早窗口的内容， 为此专门设置一个窗口用 于陷阱处理程序。上溢陷阱处理程序把最早的一个 或几个窗口的内容保存到存储器中。因为这个过程 对用户来讲是透明的， 故可以认为有无限多个窗口 可使用。 规整化的指令格式 # 简单化、 在 C)2A 中，为了提高其性能，必须充分利用 做 AB$ 与 A(+YI 之 间 传 送 数 据 8 指 令 的 高 速 频 宽 ， 到基本指令能在一个机器周期内完成。这就需要采 用流水线技术， 充分利用计算机内部操作的并发性 来提高执行效率。为此， 要求 C2)A 的指令格式简单 化、 规整化。在 )B>CA 中所有的指令均为 T! 位宽， 而且指令中操作码字段、 操作数字段都具有统一的 即： 指令的操作 格式。 )B>CA 采用三地址指令格式， 数放在两个寄 存 器 中 （ 或一个在寄存器中， 另一个 为立即数） ， 并将最终结果放在第三个寄存器中。这 种体系结构使得指令的操作可以规整化， 有利于流 水线的执行， 还可以提高译码操作效率， 并使译码 控制逻辑电路简化。
A’*&!。这一成功经验对我国航天 ’()* 系统设计
的发展起到了一定的启发和引导作用。在综合考虑 卫星、 飞船 、 空间站等航天飞行器对微处理器的需 求以及目前国内外研究状况等各种因素的前提下， 我国目前在航天系统应用研究中普遍采用了
)MF 公司自己研发的 )25’* 芯片。 根 据 )MF 公 司 未 来 的 发 展 规 划 ， 在 ?R 位 主要有 & 个系列， 首先是可 S/L4=)<=4- 处理器方面， 扩展式 H 系列， 主要用于高性能、 易扩展的多处理器 系统。目前 S/L4=)<=4- !H 的频率已达到 78"ETU。 并且即将推出 S/L4=)<=4- "H 和 S/L4=)<=4- #H 等型 号。其中 S/L4=)<=4- "H 的频率为 #QTU， S/L4=)<=4它将多种系 #H 则为 #P8QTU。其次是集成式 ; 系列，
有 T! 个寄存器） 。例如： U<V;&9< 公司的 37-/L"# 芯 片中寄存器组的容量为 #!"WT! 位。所有的寄存器 主要分为两种 类 型 ： 一类是只能由系统访问， 而用 户不能访问的系统寄存器； 另一类是用于通常操作 的工作寄存器。 寄存器窗口” 的方式对寄存 器 组 )B>CA 采用“ 进行管理。 “ 寄存器窗口” 这一概念是由 $A 7I’JI%IK 针对提高编译器效率以及大量减少存储器 NR>S 8 它将工作寄存器组成若 )?RCQ 指令而首先提出的。 干个窗口， 建立起环形结构， 利用重叠寄存器窗口 技术来加快程序的运转。例如： U<V;&9< 公 司 的
的设计思想。具体来讲， 为了提高流水线的执行效 率并使优化编译器能生成优化代码， )B>CA 实现了 下述特征： 简单而 且 统 一 格 式 的 指 令 译 码 、 大部分 指令在单周期内执行、只有 NR>S 8 )?RCQ 指令可 以访问存储器、 简单的寻址方式、 三地址指令格式 等等。)B>CA 系统中体现出的 C2)A 设计思想主要 包括以下几点：
8!
微电子学与计算机
!""! 年第 ## 期
*+ #$%&’ ,-% &(#’ #$./01
9K0 ’()* )VHL0: 60H;GF 90-KF,/,GV W=H01 ,F LK0 )25’* 54-K;L0-LM40
西安微电子技术研究所
6
23
+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5
X西安 7#""8RY
指出 )25’* 体系结构已成为航天 ’()* 系统设计的基 78 文章首先介绍了国内外 ’()* 系统的研究现状，
础。并着重说明了 )25’* 系统的发展现状及其体现出的 ’()* 设计思想， 最后强调了改进体系结构的重要性和 意义。 寄存器窗口， 体系结构 ’()*， *=-K0， 9:;8 )25’*，
!
!"
随着超大规模集成电路和深亚微米工艺日趋
