[发明专利]指令发射系统及方法、处理器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机技术领域，涉及一种指令发射系统，尤其涉及一种动态调 度和静态调度相结合的指令发射系统及方法；此外，本发明还涉及包含上述指令 发射系统的处理器及该处理器的设计方法。

背景技术

现代的微处理器通常采用流水线技术来提高微处理器的处理速度。流水线技 术将指令执行的过程分成几个阶段，通过在各个不同阶段执行不同的指令，来实 现指令的并行执行，从而提高处理器的性能。

如图1所示，根据处理器的具体结构可以将整条指令的执行分为几个阶段， 通常将流水线分为5个阶段，分别为：（1）取指令阶段，从内存取到要执行的指 令；（2）译码阶段，识别指令的操作码、源寄存器、目的寄存器等指令相关信息； （3）发射阶段，译码后的指令保存在操作队列中，从操作队列中选择不存在数 据相关或者数据相关已经解决的指令发射到功能部件中；（4）执行、写回阶段， 功能部件执行从操作队列发射到该部件的指令，并将执行结果送回到操作队列 中；（5）提交阶段，指令进入操作队列的顺序和程序中的指令顺序是一致的，按 照先进先出的原则，顺序提交操作队列中的指令。

流水线的每个阶段都是独立执行，指令按照流水线从A到E的顺序依次执行。 如果指令之间不存在相关，不会堵塞流水线，且流水线的每个阶段只需要一个时 钟周期就能够完成，那么在第5个时钟周期后第一条指令执行完。如果指令间不 存在数据相关，当前指令执行所需要的源操作数不依赖于前面还没有执行完的指 令，那么该指令就可以发射。理想情况下，在cycle6（第6个时钟周期）第二 条指令执行完，在cycle7第三条指令执行完，每一个时钟周期即可执行完一条 指令，如图3-1。如果指令间存数据在相关，如图3-2所示，指令2的源操作 数依赖于指令1的运算结果，指令2必须等到指令1执行结束后才能够发射。指 令2不能发射，则指令3等译码完的指令也都不能发射，这种情况就会造成流水 线的某些阶段闲置，从而降低流水线效率，处理器的性能也会随之下降。针对这 种情况就出现了流水线动态调度的方法，在指令发射阶段，后续不存在数据相关 的指令可以先发射执行，如图3-3所示。指令3译码结束后，其源操作数与前面 的指令1、指令2不存在数据相关，那么指令3可以先于指令2发射、执行，从 而减少了流水线的空闲时间，提高了效率。在现代的通用处理器中，一般采用动 态调度指令的方法来解决指令间相关造成的流水线堵塞的情况。

在流水线结构中，使用动态调度指令的方法，可以解决指令间的数据相关带 来的流水线堵塞、流水线性能降低，从而处理器性能也降低的问题。但是在设计 微处理器的结构，采用动态调度指令的流水线方法时，还有很多问题需要考虑， 因为还存在很多数据相关性在指令发射阶段不能判断的情况，或者判断比较麻烦 的指令。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种动态调度和静态调度相结合的指令 发射系统，可降低微处理器设计的复杂度、提高处理器性能。

同时，本发明提供上述指令发射系统的发射方法。

另外，本发明还提供一种包含上述指令发射系统的处理器。

此外，本发明还提供上述处理器的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种指令发射系统，指令在写入操作队列中时做出指令间相关性的判断，且 指令间相关性的信息保存在操作队列中；该系统包括指令分类模块、指令发射模 块。指令分类模块用以将操作队列中相关性已经判断好的指令进行分类；将操作 队列中只能静态调度、顺序执行的指令归为静态调度类指令，将操作队列中可动 态调度、乱序执行的指令归为动态调度类指令；指令发射模块用以将操作数准备 好的静态调度类指令、动态调度类指令分别按照静态调度、动态调度的方法从操 作队列中发射。

作为本发明的一种优选方案，所述指令分类模块包括第一判断逻辑电路、第 二判断逻辑电路；第一判断逻辑电路用以根据操作队列中指令的操作码判断操作 队列中的指令是否是静态调度类指令，所述静态调度类指令必须严格按照指令在 程序中的先后顺序发射；第二判断逻辑电路用以根据操作队列中指令的操作码判 断操作队列中的指令是否是动态调度类指令，所述动态调度类指令无需按照指令 在程序中的先后顺序执行，可动态调度、乱序执行。

作为本发明的一种优选方案，采用顺序执行的方式执行访存类指令、读写特 殊寄存器的指令；所述访存类指令包括读写内存的指令。