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基于MIPS架構的RISC微處理器RM7000A
摘要：概要介紹基于MIPS指令集的RM7000A微處理器的大容量片內緩存、超標量流水線(xiàn)、指令雙發(fā)射、大量寄存器組等主要特性，并對其兩種應用方案進(jìn)行探討。引 言
??在眾多類(lèi)型的RISC CPU體系中，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是相當成功的一種。自從1983年John Hennessy在斯坦福大學(xué)成功地完成了第一個(gè)采用RISC理念的MIPS微處理器以來(lái)，基于MIPS構架的CPU在網(wǎng)絡(luò )、通信、多媒體娛樂(lè )等領(lǐng)域得到了廣泛應用。Cisco的路由器，IBM的網(wǎng)絡(luò )彩色打印機，HP的4000、5000、8000、9000系列激光打印機及掃描儀，Sony的Playstation和Playstation 2游戲機等等，都是應用了實(shí)現不同MIPS指令集的微處理器的產(chǎn)品。
??MIPS Technologies Inc本身不生產(chǎn)微處理器，它只設計高性能工業(yè)級的32位和64位CPU的結構體系，并且向其它半導體公司提供使用其內核（IP）的授權，用于生產(chǎn)基于MIPS而又各具特色的微處理器。據MIPS公司網(wǎng)站介紹，現在已有超過(guò)50家公司申請了授權，其中不乏IT界著(zhù)名的大企業(yè)，如：AMD、ATI、TI、NEC、Toshiba、Philips、PMC-Sierra、IDT、Quicklogic、Marvell等。
1 RM7000A概述
??RM7000A是PMC-Sierra公司RM7000系列微處理器的一種，使用CMOS 0.18μm藝制造而成，內含2個(gè)獨立的64位整型單元和1個(gè)64位浮點(diǎn)單元；片內集成了主緩存和二級緩存以及外部擴展緩存控制器（最高支持8MB三級緩存）；具有1個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射2條指令的功能；支持數據預�。≒refetch）；最高工作頻率可達400MHz；可寬溫工作，350MHz工業(yè)級處理器工作溫度為－40～ 85℃。
??該微處理器有以下主要特性。
(1)片內集成大容量主緩存和二級緩存
??主緩存包括16KB指令緩存和16KB數據緩存。指緩和數緩都擁有各自的64位讀通道和128位寫(xiě)通道，并且允許指緩和數緩同時(shí)被訪(fǎng)問(wèn)。在400MHz時(shí)，主緩可以給整型單元和浮點(diǎn)型單元提供總計高達6.4GB/s的帶寬。256KB的二級緩存擁有一個(gè)64位的讀/寫(xiě)共用通道，只有在訪(fǎng)問(wèn)主緩存發(fā)生未命中的情況下才會(huì )使用到。
??主緩存和二級緩存均采用4路組相聯(lián)。緩存線(xiàn)長(cháng)32字節，均為非阻塞式緩存（non-blocking cache），即在緩存訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)生未命中（cache miss），且這個(gè)未命中沒(méi)有被消除的情況下，處理器無(wú)需停頓等待，可以繼續進(jìn)行緩存訪(fǎng)問(wèn)。RM7000A允許最多有兩個(gè)未命中時(shí)仍可訪(fǎng)問(wèn)緩存。只有在下面兩種情況下，微處理器才會(huì )產(chǎn)生停頓：一是在前兩個(gè)未命中還沒(méi)消除，指令總線(xiàn)上又出現了對緩存的存取指令；二是產(chǎn)生了兩個(gè)未命中，而隨后的指令要從前面一個(gè)引起未命中的指令處獲取數據才能繼續執行。
(2)指令雙發(fā)射機制（dual issue mechanism）
??RM7000A的指令分為四種類(lèi)型：整數型、浮點(diǎn)型、分支轉移（branch）和存/�。╨oad/store）。處理器整型部件的超標量分發(fā)單元含有兩個(gè)獨立的流水線(xiàn)：M-pipe（memory）和F-pipe（function）。其中，F-pipe處理整數型、分支轉移和浮點(diǎn)操作，如加、減、乘、除等；M-pipe負責整數型、存/取等操作，同時(shí)也進(jìn)行一些浮點(diǎn)數在寄存器間的移動(dòng)。指令雙發(fā)射框圖如圖1所示。
??如果每過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，每條流水線(xiàn)流出一條指令，在外部看來(lái)就有兩條指令同時(shí)被執行。但是，在處理器中并不是總能做到雙發(fā)射的，這跟具體的指令組合有關(guān)，比如：當一個(gè)指令要處理控制寄存器時(shí)，就不能和其它的指令同時(shí)發(fā)射。
(3)超標量流水線(xiàn)（superscalar pipeline）
??RM7000A包含一條5階超標量指令流水線(xiàn)（度m=2），供M-pipe和F-pipe使用。每條指令被劃分為5個(gè)子過(guò)程：I為取指令，R為取寄存器數，A為執行，D為取數據，W為寫(xiě)回，如圖2所示。
??配合指令的雙發(fā)射機制，每過(guò)一拍，流水線(xiàn)都要流入兩條新的指令。在滿(mǎn)負荷的情況下，可以有10條指令在流水線(xiàn)不同的部件上同時(shí)運行，相當于提高了工作頻率。
??在RM7000A中，實(shí)際上還存在一個(gè)7階流水線(xiàn)單獨處理浮點(diǎn)操作，不過(guò)，這個(gè)流水線(xiàn)對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是完全透明的。
(4)寄存器組（register files）
??RM7000A含有眾多的寄存器。
◆ 整型操作寄存器組。位于整型單元中，包括32個(gè)64位的通用寄存器（GPR），2個(gè)專(zhuān)用于整型乘、除運算的寄存器Hi和Lo，1個(gè)程序計數器PC（對用戶(hù)透明）。其中通用寄存器的r0被硬連接為0。它可以作為目的寄存器存放指令以后會(huì )舍棄的暫時(shí)結果，也可以根據需要為指令提供0作為操作數。
◆ 浮點(diǎn)操作寄存器組。包含32個(gè)64位的浮點(diǎn)通用寄存器（FGR）和32個(gè)32位控制寄存器。
◆ 系統控制寄存器組（CP0）。用于內存管理調度、地址轉換、異常處理等。
(5)集成、高效的內存管理單元
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