本發(fā)明涉及到處理器的新型構(gòu)架與實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：

在處理器指令系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)兩個(gè)截然不同的優(yōu)化方向：CISC技術(shù)和RISC技術(shù)。CISC是指復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Complex Instruction Set Computer)；RISC是指精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer)。這里的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)指的是計(jì)算機(jī)的最低層的機(jī)器指令，也就是CPU能夠直接識(shí)別的指令。隨著處理器系統(tǒng)的復(fù)雜，要求處理器指令系統(tǒng)的構(gòu)造能使處理器的整體性能更快更穩(wěn)定。最初，人們采用的優(yōu)化方法是通過(guò)設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)提高處理器的執(zhí)行速度，這種處理器系統(tǒng)就被稱(chēng)為復(fù)雜指令系統(tǒng)處理器，即Complex Instruction Set Computer，簡(jiǎn)稱(chēng)CISC。另一種優(yōu)化方法是在20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來(lái)的，其基本思想是盡量簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)指令功能，只保留那些功能簡(jiǎn)單、能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令，而把較復(fù)雜的功能用一段子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種處理器系統(tǒng)就被稱(chēng)為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)處理器．即Reduced Instruction Set Computer，簡(jiǎn)稱(chēng)RISC。RISC技術(shù)的精華就是通過(guò)簡(jiǎn)化處理器指令功能，使指令的平均執(zhí)行周期減少，從而提高處理器的工作主頻，同時(shí)大量使用通用寄存器來(lái)提高子程序執(zhí)行的速度。

RISC和CISC各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們的區(qū)別在于不同的CPU設(shè)計(jì)理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)目的是 要用最少的機(jī)器語(yǔ)言指令來(lái)完成所需的計(jì)算任務(wù)。RISC和CISC是設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，RISC設(shè)計(jì)者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡(jiǎn)單高效的特色。對(duì)不常用的功能，常通過(guò)組合指令來(lái)完成。因此，在RISC機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低。而CISC計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專(zhuān)用指令來(lái)完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。RISC處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該發(fā)明是一種新型處理器構(gòu)架，結(jié)合RISC和CISC各自的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而增加靈活性，更大程度的提高處理器的執(zhí)行效率。在該發(fā)明中，一種處理器構(gòu)架可以同時(shí)支持兩種完全不同的指令集，并且處理器可以在兩種指令集之間自由切換。為達(dá)到支持兩種指令集的目的，指令總線，指令譯碼單元和運(yùn)算單元都和傳統(tǒng)的單指令集處理器結(jié)構(gòu)有所不同。

首先指令總線要支持兩種不同指令集的取指令，兩種指令集的指令長(zhǎng)度是不一樣的，RISC指令集指令長(zhǎng)度是32位，而CISC指令集指令長(zhǎng)度可能是64位，128位ISC和CISC指令集通過(guò)唯一的混合指令譯碼單元來(lái)完成兩種指令集的切換。譯碼時(shí)首先查看指令集標(biāo)識(shí)位，這個(gè)標(biāo)識(shí)位可通過(guò)兩種方法設(shè)置：一種是通過(guò)軟件編程系統(tǒng)寄存器來(lái)設(shè)置到需要的指令集；另外一種方式是通過(guò)指令集的切換指令來(lái)完成，也就是說(shuō)在RISC指令集中設(shè)計(jì)一條切換（SWITCH）指令，這條指令作為進(jìn)入CISC指令集的最后一條指令，這條指令會(huì)改變指令標(biāo)識(shí)位識(shí)譯碼其進(jìn)入CISC指令集模式，同理，在CISC指令集中設(shè)計(jì)一條切換（SWITCH）指令，這條指令作為進(jìn)入RISC指令集的最后一條指令，這條指令會(huì)改變指令標(biāo)識(shí)位識(shí)譯碼其進(jìn)入RISC指令集模式。

RISC和CISC指令集共享同一個(gè)指令總線，也就是兩種指令集的取指令都過(guò)同一個(gè)而且是唯一指令總線，該指令總線可從RISC或CISC程序代碼取指令，也可以是RISC和CISC混合編程的代碼。

RISC和CISC指令集處理器共享同一數(shù)據(jù)總線，兩種指令集的程序都通過(guò)同一數(shù)據(jù)總線來(lái)存取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

RISC和CISC指令集共享所有的運(yùn)算單元，包括算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算以及尋址單元。指令通過(guò)混合指令譯碼單元后，將不再區(qū)分RISC和CISC指令集。不同的是，CISC可能同時(shí)使能多個(gè)運(yùn)算單元達(dá)到并運(yùn)算，而RISC根據(jù)指令只使能單一的運(yùn)算單元。

為保證程序的穩(wěn)定性，在RISC和CISC程序互相切換時(shí)，在同一運(yùn)算周期內(nèi)只有唯一的一種指令集的指令有效：精簡(jiǎn)指令集指令或者復(fù)雜指令集指令。

附圖說(shuō)明：

圖1異構(gòu)處理器的整體實(shí)現(xiàn)方法；

圖2指令譯碼器的實(shí)現(xiàn)實(shí)例；

圖3為本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明提供一種異構(gòu)處理器的設(shè)計(jì)方法，該發(fā)明將通用的精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器和復(fù)雜指令集（CISC）處理器合二為一，即一種構(gòu)架可以同時(shí)支持兩種完全不同的指令集，參考圖1。對(duì)于具體的實(shí)施例中精簡(jiǎn)指令集可以是16bits的指令,也可以是32bits的指令集；對(duì)于具體的實(shí)施例中復(fù)雜指令集可以是48bits或者是64bits的超長(zhǎng)指令字（VLIW），或者是指令不等長(zhǎng)度的指令集。

該發(fā)明的核心是指令譯碼器的設(shè)計(jì)，圖2是一種混結(jié)構(gòu)處理器的譯碼單元的一種應(yīng)用實(shí)例。在這種實(shí)例中，指令譯碼單元同時(shí)支持兩種指令譯碼，RISC和CISC。兩種方法可以改變處理器的運(yùn)行模式：直接的指令改變和系統(tǒng)寄存器方式。直接的指令改變運(yùn)行模式主要通過(guò)模式切換指令，在RISC和CISC中分別設(shè)計(jì)一條切換指令，當(dāng)系統(tǒng)取指令后，先經(jīng)過(guò)指令的預(yù)譯碼，當(dāng)預(yù)譯碼判斷是切換指令時(shí)，會(huì)進(jìn)入到系統(tǒng)模式切換狀態(tài)，同時(shí)更新系統(tǒng)的模式標(biāo)識(shí)位，然后進(jìn)入真正的指令譯碼階段，這時(shí)譯碼單元根據(jù)系統(tǒng)模式標(biāo)識(shí)位進(jìn)行不同的模式譯碼。系統(tǒng)寄存器方式是同過(guò)編成系統(tǒng)寄存器的模式標(biāo)識(shí)位來(lái)達(dá)到系統(tǒng)模式的改變，這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易操作，但是效率會(huì)降低。當(dāng)用系統(tǒng)寄存器來(lái)改變系統(tǒng)模式時(shí)，模式寄存器的值是被指令處理的最后一階段更改的，也就是數(shù)據(jù)的回寫(xiě)階段發(fā)生的，在這種情況下，編譯要在流水線中插入相應(yīng)的空操作指令來(lái)保證切換之前沒(méi)有新的指令進(jìn)入處理器。

該發(fā)明的實(shí)施例可以包括多種應(yīng)用。例如該發(fā)明可以應(yīng)用在多媒體的處理器中用于加速圖像或者音頻處理，充分利用CISC的高效和精簡(jiǎn)指令集的易編成和低功耗從而極大地加速了音視頻的處理能力。也可以用在工業(yè)控制中，同時(shí)具有超強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力。

如圖2所示，一種音視頻處理器的實(shí)現(xiàn)方案。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，RISC是32bits指令集的MCU，MCU支持最基本的定點(diǎn)運(yùn)算；CISC是64bits的VLIW指令集，支持音視頻相關(guān)的特殊指令，同時(shí)支持浮點(diǎn)運(yùn)算。處理器核同時(shí)支持兩種指令集，RISC可用于控制部分，VLIW可用于音視頻編解碼。為了高效的處理能力，該實(shí)現(xiàn)例支持混合指令集的編成。為了配合VLIW處理器，增加二維的系統(tǒng)X/Y總線用于二維數(shù)據(jù)存取，極大地提高了數(shù)字信號(hào)處理能力。同時(shí)，增加相應(yīng)的外設(shè)，例如定時(shí)器，一級(jí)緩存，二級(jí)緩存，Boot ROM等。在該實(shí)例中，默認(rèn)模式是32bits指令集的MCU模式，可通過(guò)啟動(dòng)程序初始化到64bits的VLIW指令集的模式，啟動(dòng)程序編成相應(yīng)的系統(tǒng)寄存器來(lái)標(biāo)識(shí)處理器工作模式。當(dāng)混合編成時(shí)，編譯器負(fù)責(zé)插入切換指令從而實(shí)時(shí)改變處理器的運(yùn)行模式。