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類型分類:
科普知識(shí)
數(shù)據(jù)分類:
DCS系統(tǒng)

32位嵌入式CPU中系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布日期:2022-04-17 點(diǎn)擊率:16

  IPS體系結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)控制協(xié)處理器簡(jiǎn)稱CP0,它提供指令正常執(zhí)行所需的環(huán)境,進(jìn)行異常/中斷處理、高速緩存填充、虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換、操作模式轉(zhuǎn)換等操作。單從硬件的角度而言,系統(tǒng)控制協(xié)處理器對(duì)指令集的作用就相當(dāng)于操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序的作用一樣。

  異常處理

  CPU運(yùn)行過程中常常需要中斷正常執(zhí)行的指令流程,跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行某段特殊的指令段,接著再恢復(fù)原來的指令序列。MIPS體系結(jié)構(gòu)中稱這樣的過程為異常(Exception)。所有的異常都采用統(tǒng)一的機(jī)制處理。

  對(duì)于異常情況,需要采取以下3方面的措施:

  1) 異常檢測(cè):CPU需要及時(shí)檢測(cè)出哪個(gè)部件發(fā)生了什么異常;一般而言,異常檢測(cè)由各個(gè)模塊進(jìn)行,如加法溢出由加法器在運(yùn)算過程中產(chǎn)生,并在相應(yīng)的流水段被系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP0讀入。因此這部分功能不屬于CP0的設(shè)計(jì)范圍。

  2) 異常處理:CPU按照優(yōu)先級(jí)選擇哪個(gè)異常被處理,并進(jìn)行必要的上下文切換(Context Switch),為進(jìn)入異常服務(wù)子程序做準(zhǔn)備,保證與該種異常對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序被執(zhí)行,并且能夠從中斷處完全恢復(fù)原來的指令執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。

  3) 異常服務(wù):執(zhí)行異常服務(wù)子程序,這部

  分主要由軟件(操作系統(tǒng))來完成。

  對(duì)異常處理機(jī)制的要求

  與傳統(tǒng)的異常/中斷處理機(jī)制相比,在MIPS 4Kc體系結(jié)構(gòu)下的異常處理需要特別考慮3個(gè)因素。

  流水線的劃分

  本設(shè)計(jì)采用五段流水線設(shè)計(jì),即每條指令的執(zhí)行一般都經(jīng)過IF(取指)、DE(指令譯碼)、EX(指令執(zhí)行)、MEM(訪問存儲(chǔ)器)和WB(數(shù)據(jù)寫回R.F.)五個(gè)步驟。因?yàn)橹噶顒?dòng)作被分割,所以異常源也被分割到各個(gè)流水線段。例如:加法溢出異常只能在EX被檢測(cè)到。

  精確異常處理機(jī)制

  精確異常處理是指在發(fā)生異常時(shí),僅僅對(duì)發(fā)生異常的指令或其后面的指令進(jìn)行異常處理;而其前面的指令要保證能夠正常結(jié)束。所謂“精確”,是指受到異常處理影響的只有產(chǎn)生異常條件的那條指令,所有在此之前的指令在異常被處理前都將被執(zhí)行完成。異常處理結(jié)束后仍將從發(fā)生異常的指令開始繼續(xù)執(zhí)行。

  操作模式切換

  對(duì)于多進(jìn)程操作系統(tǒng),至少要區(qū)分兩種進(jìn)程:有特權(quán)的操作系統(tǒng)“核心”進(jìn)程和一般程序的“用戶”進(jìn)程。當(dāng)CPU檢測(cè)到異常發(fā)生時(shí),指令執(zhí)行的正常順序會(huì)被暫停,處理器進(jìn)入核心模式。當(dāng)異常服務(wù)子程序執(zhí)行完后,CPU從斷點(diǎn)中恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),繼續(xù)執(zhí)行原指令序列。

  異常處理流水線

  根據(jù)上述分析可以確定,硬件異常處理流水線的主要任務(wù)有3個(gè):更新相應(yīng)的CP0寄存器,即寫CP0寄存器;保存發(fā)生異常的指令地址,或當(dāng)異常指令在延遲槽時(shí),保存引起延遲槽的跳轉(zhuǎn)指令地址;選擇異常服務(wù)子程序的入口地址。

  CP0寄存器記錄了CPU當(dāng)前的狀態(tài),因此,對(duì)CP0寄存器的寫就是對(duì)CPU狀態(tài)的改變,需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而且對(duì)寄存器的寫是影響關(guān)鍵路徑的主要因素。因此本文主要論述對(duì)CP0寄存器寫操作的設(shè)計(jì)。

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