Конвейеризированное процессорное ядро

Несложно заметить, что предложенную микроархитектуру многотактного процессора (рис.7.1) можно относительно просто превратить в конвейеризированную. Для этого достаточно (вот сейчас будет страшно - а точно ли?) разрешить работу всех промежуточных регистров Rx, а также блоков программного счетчика, файл-регистра, регистров специальных функций, и памяти на запись.

Рис. 7.1. Структурная схема многотактного процессора

Первым вариантом модификации будет исключение из микроархитектуры кольцевого сдвигового регистра, подача входы разрешения работы модулей с памятью логической единицы ("разрешено").

При таком варианте в случае линейного кода на каждом такте значение программного счетчика будет инкрементироваться и выбираться новые инструкции программы - рис.7.2.

Рис. 7.2. Временные диаграммы конвейеризованного варианта

Смотря на рис.7.2 можно с одной стороны порадоваться - выборка инструкций действительно конвейеризовалась, но вот выполнение последовательности команд наталкивается на неопределенность при выборке операндов из файл-регистра.

Последующий разбор показывает, что в текущем варианте разбиения конвейера по этапам может нарушаться ( и для тестового программного кода нарушается) временнАя последовательность выполнения команд - выборка операнда последующей команды начинается раньше, чем производится запись результата предыдущей.

Рис. 7.3. "Разбор" причин нарушения корректности работы

Следовательно, необходимо немного пересмотреть вариант разбиения конвейера по этапам для корректной работы.

Микроархитектурные блоки процессора оставляем пока как и были:

rv_pc - программный счетчик;

rv_mem - блок памяти (программная и оперативная;

rv_desh - дешифратор команд (слова-инструкции);

rv_imm - формирователь непосредственного значения из слова-инструкции;

rv_reg_file - файл-регистр

rv_ops_mux - коммутатор операндов для АЛУ;

rv_cmp - формирователь сигнала разрешения перехода;

rv_alu_v - АЛУ;

rv_rez_mux - коммутатор результатов;

rv_csr - блок регистров специального назначения.

Новый вариант разбиения по этапам:

L0 - выборка текущего значения программного счетчика (точнее пары значений - PC и РС+4).

L1 - выборка слова-инструкции из памяти.

L2 - дешифрация инструкции - выделение адресов операндов, типа инструкции, формирование управляющих сигналов.

L3 - вычисления - выборка операндов из файл-регистров, работа АЛУ, чтение/запись данных из оперативной памяти, запись данных в файл-регистры.

L4 - запись нового значения в программный счётчик.

Пробуем рассмотреть возможные сигналы и действия на каждом из этапов. Промежуточные результаты каждого из этапов по прежнему фиксируются в неархитектурных "буферных" регистрах, ожидаемо их стало меньше (R0 - R4), и разрядность их также можно уменьшить. Ряд сигналов, аналогично предыдущей версии, "пробрасываются" по этапам (напрямую между регистрами) в том случае, если они не задействованы в них. Работа блоков с элементами памяти и промежуточных регистров разрешена всё время.

Структурная схема конвейеризированного варианта процессора представлена на рис.7.4.

Рис. 7.4. Структурная схема конвейеризированного варианта процессора

Этапы L0-L2 остаются пока без изменений.

L0 - выборка текущего значения программного счетчика

Текущее значение программного счетчика и его инкремента (PC+4) запоминаются в регистре R1. Выходными линиями, соответствующими PC, адресуется память (память программ). Также пара PC, PC+4 с выхода R1 будет подана на вход регистра R2.

L1 - выборка слова-инструкции из памяти

В регистре R2 фиксируется слово инструкции из памяти и текущие значения пары PC, PC+4. Выход регистра подается на декодер инструкции и на схемы формирования непосредственного значения (immediate). Значения счетчиков передаются на вход следующего регистра (R3).

Рис. 7.5. Выборка текущего значения программного счетчика

wire [31:0]l0r1_PC; wire [31:0]l0r1_PCplus; wire [31:0]r1l1_PC; wire [31:0]r1l1_PCplus; rv_pc pc( // programm counter .clk(clk), .rst_n(rst), .pc_load(r6l7_PC_load), .pc_next(l6r7_Rez), .pc(l0r1_PC), .pc_plus(l0r1_PCplus) ); wire [255:0] r1_in; assign r1_in = {l0r1_PC, l0r1_PCplus, 192'h0}; wire [255:0] r1_out; assign r1_out = {r1l1_PC, r1l1_PCplus, 192'h0}; rv_r_reg R1( .clk(clk), .rst_n(rst), .en(en_level[0]), .r_in(r1_in), .r_out(r1_out) );

Рис. 7.6. Выборка слова-инструкции из памяти

wire [31:0] l1r2_iw; wire [31:0] l1r2_PC; wire [31:0] l1r2_PCplus; rv_mem mem( // system memory .clk(clk), .i_addr(r1l1_PC), .code_out(l1r2_iw), .d_addr(r5l5_Rez), .d_out(l5r6_Mem_data), .d_in(r5l5_Rs2_reg), .we(r5l5_mem_wr) ); // L1_R2 wire [31:0]r2l2_iw; wire [31:0]r2l2_PC; wire [31:0]r2l2_PCplus; wire [255:0] r2_in; wire [255:0] r2_out; assign r2_in = {l1r2_iw, r1l1_PC, r1l1_PCplus, 160'h0}; assign r2_out = {r2l2_iw, r2l2_PC, r2l2_PCplus, 160'h0}; rv_r_reg R2( .clk(clk), .rst_n(rst), .en(en_level[1]), .r_in(r2_in), .r_out(r2_out) );

L2 - дешифрация инструкции

Из слова-инструкции идет выделение адресов регистров-операндов, типа (опкодов и функциональных полей) инструкции, формирование управляющих сигналов на запись в файл-регистры (регистров общего назначения и специальных регистров).