摘要：概要介紹基于MIPS指令集的RM7000A微處理器的大容量片內(nèi)緩存、超標(biāo)量流水線、指令雙發(fā)射、大量寄存器組等主要特性，并對(duì)其兩種應(yīng)用方案進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：RM7000A 微處理器 MIPS架構(gòu)

引 言

在眾多類型的RISC CPU體系中，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是相當(dāng)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，基于MIPS構(gòu)架的CPU在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Cisco的路由器，IBM的網(wǎng)絡(luò)彩色打印機(jī)，HP的4000、5000、8000、9000系列激光打印機(jī)及掃描儀，Sony的Playstation和Playstation 2游戲機(jī)等等，都是應(yīng)用了實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)高性能工業(yè)級(jí)的32位和64位CPU的結(jié)構(gòu)體系，并且向其它半導(dǎo)體公司提供使用其內(nèi)核（IP）的授權(quán)，用于生產(chǎn)基于MIPS而又各具特色的微處理器。據(jù)MIPS公司網(wǎng)站介紹，現(xiàn)在已有超過50家公司申請了授權(quán)，其中不乏IT界著名的大企業(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(nèi)含2個(gè)獨(dú)立的64位整型單元和1個(gè)64位浮點(diǎn)單元；片內(nèi)集成了主緩存和二級(jí)緩存以及外部擴(kuò)展緩存控制器（最高支持8MB三級(jí)緩存）；具有1個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射2條指令的功能；支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)取（Prefetch）；最高工作頻率可達(dá)400MHz；可寬溫工作，350MHz工業(yè)級(jí)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(nèi)集成大容量主緩存和二級(jí)緩存

主緩存包括16KB指令緩存和16KB數(shù)據(jù)緩存。指緩和數(shù)緩都擁有各自的64位讀通道和128位寫通道，并且允許指緩和數(shù)緩?fù)瑫r(shí)被訪問。在400MHz時(shí)，主緩可以給整型單元和浮點(diǎn)型單元提供總計(jì)高達(dá)6.4GB/s的帶寬。256KB的二級(jí)緩存擁有一個(gè)64位的讀/寫共用通道，只有在訪問主緩存發(fā)生未命中的情況下才會(huì)使用到。

主緩存和二級(jí)緩存均采用4路組相聯(lián)。緩存線長32字節(jié)，均為非阻塞式緩存（non-blocking cache），即在緩存訪問產(chǎn)生未命中（cache miss），且這個(gè)未命中沒有被消除的情況下，處理器無需停頓等待，可以繼續(xù)進(jìn)行緩存訪問。RM7000A允許最多有兩個(gè)未命中時(shí)仍可訪問緩存。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)未命中還沒消除，指令總線上又出現(xiàn)了對(duì)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(shù)據(jù)才能繼續(xù)執(zhí)行。

(2)指令雙發(fā)射機(jī)制（dual issue mechanism）

RM7000A的指令分為四種類型：整數(shù)型、浮點(diǎn)型、分支轉(zhuǎn)移（branch）和存/取（load/store）。處理器整型部件的超標(biāo)量分發(fā)單元含有兩個(gè)獨(dú)立的流水線：M-pipe（memory）和F-pipe（function）。其中，F(xiàn)-pipe處理整數(shù)型、分支轉(zhuǎn)移和浮點(diǎn)操作，如加、減、乘、除等；M-pipe負(fù)責(zé)整數(shù)型、存/取等操作，同時(shí)也進(jìn)行一些浮點(diǎn)數(shù)在寄存器間的移動(dòng)。指令雙發(fā)射框圖如圖1所示。

如果每過一個(gè)時(shí)鐘周期，每條流水線流出一條指令，在外部看來就有兩條指令同時(shí)被執(zhí)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(dāng)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(biāo)量流水線（superscalar pipeline）

RM7000A包含一條5階超標(biāo)量指令流水線（度m=2），供M-pipe和F-pipe使用。每條指令被劃分為5個(gè)子過程：I為取指令，R為取寄存器數(shù)，A為執(zhí)行，D為取數(shù)據(jù)，W為寫回，如圖2所示。

配合指令的雙發(fā)射機(jī)制，每過一拍，流水線都要流入兩條新的指令。在滿負(fù)荷的情況下，可以有10條指令在流水線不同的部件上同時(shí)運(yùn)行，相當(dāng)于提高了工作頻率。

在RM7000A中，實(shí)際上還存在一個(gè)7階流水線單獨(dú)處理浮點(diǎn)操作，不過，這個(gè)流水線對(duì)用戶來說是完全透明的。

(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)專用于整型乘、除運(yùn)算的寄存器Hi和Lo，1個(gè)程序