在CPU中，訪問寄存器比訪問主存速度要快。所以為了減少訪問存儲器而花的時間或延遲，MIPS4KC處理器采用了Load/Store設(shè)計。在CPU芯片上有許多寄存器，所有的操作都由存儲在寄存器里的操作數(shù)來完成，而主存只有通過Load和Store指令來訪問。這樣做不僅可以減少訪問主存的次數(shù)，有利于降低對主存儲器容量的要求，而且可以精簡指令集，有利于編譯人員優(yōu)化寄存器分配。Load Aligner就是數(shù)據(jù)存儲器(DCACHE)和數(shù)據(jù)通道之間的接口。所以設(shè)計出性能優(yōu)良的Load Aligner對提高CPU的整體性能是非常重要的。本文介紹了在一款32位CPU中Load Aligner模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，其中主要是數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計和實現(xiàn)。

　　設(shè)計目標(biāo)

　　本設(shè)計中，Load Aligner模塊要實現(xiàn)的指令有LB、LBU、LH、LHU、LW、LWL、LWR。CPU通過這些指令把從數(shù)據(jù)存儲器中取出來的數(shù)據(jù)重新排序，然后放進寄存器堆RF中，進入CPU的數(shù)據(jù)通道。表1是對這些指令的介紹。

　　如果把從DCACHE中取出的一個32位的字表示成4字節(jié)：A、B、C、D，如表2所示。

　　31-24/  23-16/  15-18/  7-0

　　A       /     B    /  C     /   D

　　那么經(jīng)過上述指令操作后，這個字被重新排列的結(jié)果(即Load Aligner模塊的輸出,也用4字節(jié)來表示)見表3。

　　表3中，s表示符號擴展，*表示這個字節(jié)上的寄存器中的數(shù)保持不變。不過在Load Aligner模塊，先將這些字節(jié)置0，在寄存器堆模塊再控制這些字節(jié)是否直接寫進寄存器。

　　以上是Load Aligner模塊要實現(xiàn)的指令目標(biāo)，另外由于此模塊是CPU關(guān)鍵路徑的一部分，因此數(shù)據(jù)通道部分最長時延不能超過0.7ns。

　　邏輯設(shè)計

　　分析比較經(jīng)過上述指令后Load Aligner模塊的輸入輸出變化可以看出：輸入字的每一字節(jié)經(jīng)過Load Aligner模塊后可以在輸出字的任意字節(jié)位置上。換言之，輸出字的每一字節(jié)都可以有A、B、C、D四種情況。所以需要一個8位的控制信號Bit<7:0>來控制四個四選一的數(shù)據(jù)選擇器，稱為字節(jié)組合模塊，來獲得所需要的字節(jié)組合。不過，經(jīng)過這個字節(jié)組合模塊選出來的4字節(jié)并不全是所需要的，還需要去掉冗余的字節(jié)或者進行符號擴展。因此需要有能夠產(chǎn)生符號擴展或者0擴展的模塊稱為符號產(chǎn)生模塊，然后把它的輸出和一個4位的控制信號Mask<3:0>一起控制一組二選一數(shù)據(jù)選擇器，稱為輸出模塊，來獲得最后的排序結(jié)果。邏輯實現(xiàn)流程圖見圖1。

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以上是Load Aligner模塊數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計。它還需要有控制模塊來產(chǎn)生上述控制信號，此外由于任何一個控制信號都要驅(qū)動數(shù)據(jù)通道子模塊中的32個cell，所以還要有一個驅(qū)動模塊來使控制信號有足夠的驅(qū)動能力。由以上分析，整個Load Aligner模塊的框圖如圖2所示。其中，控制模塊采用自動布局布線生成，而驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)通道模塊均采用全定制設(shè)計。

　　功能驗證

　　對此模塊的RTL代碼和所設(shè)計的電路分別進行了功能驗證。設(shè)從DCACHE取出的32位數(shù)據(jù)用十六進制表示為AABBCCDD，對表3中的所有指令進行測試。圖3所示的波形圖就是依次測試指令LW、LH00、LHU00、LH10、LHU10、LB00、LBU00、LB01、LBU01、LB10等的結(jié)果?？梢钥闯?，結(jié)果與表3完全吻合。說明所設(shè)計的電路滿足設(shè)計目標(biāo)，可以實現(xiàn)所要求的所有指令。

　　電路仿真

　　根據(jù)圖1可以看出，從符號選擇信號Sandz<4:0>到輸出的路徑為最長路徑，我們選取這條路徑進行仿真，并考慮在0.18μm時線電阻電容對時延的影響，用Hspice確定了所需器件的尺寸。仿真結(jié)果如圖4所示。上升時時延為0.52ns，下降時時延為0.47ns，均滿足小于0.7ns 的要求。

　　結(jié)論    

　　在CPU中，Load Aligner模塊是DCACHE和數(shù)據(jù)通道之間的接口。從DCACHE中取出的數(shù)據(jù)只有通過Load Aligner模塊重新排序，才能進入CPU的數(shù)據(jù)通道。在設(shè)計中應(yīng)用了自上而下的設(shè)計方法，所設(shè)計的電路實現(xiàn)了所有的指令，在時延上也達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。