專利名稱：嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在嵌入式流水線處理器設(shè)計中，實時精確異常機制的實現(xiàn)對處理器性能的影響非常關(guān)鍵。在處理器工作過程中，響應(yīng)異常意味著處理器指令執(zhí)行流程和處理器狀態(tài)的改變。對于嵌入式實時處理器而言，如何快速保存處理器現(xiàn)有狀態(tài)并進入異常處理過程就是其實時性的體現(xiàn)。如表1所示，對于流水線處理器來說，在流水線的每一級都有可能發(fā)生異常，并且在同一時鐘周期內(nèi)可能有多個流水級產(chǎn)生異常。因此精確異常實現(xiàn)機制的效率直接影響嵌入式處理器的性能。
表1 流水線各級可能發(fā)生的異常

參照圖4，文獻“PowerPC750RISC Microprocessor User’s manual(www.ibm.com)”介紹了IBM公司的PowerPC750處理器的精確異常實現(xiàn)機制。該處理器對一次異常完整的處理由硬件和軟件兩部分組成。當處理器響應(yīng)異常時，首先硬件保存當前處理器的程序計數(shù)寄存器和機器狀態(tài)寄存器，然后根據(jù)異常類型開始執(zhí)行異常服務(wù)子程序。在執(zhí)行異常服務(wù)子程序當中，首先由軟件保存當前處理器的全部狀態(tài)，包括32個通用寄存器，若干特殊寄存器等。保存完畢后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的核心部分。核心部分執(zhí)行完畢后，由軟件恢復(fù)已保存的處理器的全部狀態(tài)，切換到正常的程序流程。很明顯，軟件保存和恢復(fù)處理的狀態(tài)是通過執(zhí)行訪存指令來實現(xiàn)的。但是由于當前處理器和存儲器之間固有的響應(yīng)速度的差別，處理器執(zhí)行訪存指令的效率很低。對于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器，通過基準測試程序顯示，執(zhí)行一條訪存指令時若命中Cache時，平均需要10-20個時鐘周期。若不命中cache時，平均需要30-40個時鐘周期。采用軟件對處理器的現(xiàn)場進行保存和恢復(fù)時，由于程序流程發(fā)生了改變，在執(zhí)行訪存指令時，不可能命中Cache。為了在正常態(tài)和異常態(tài)之間切換需要花費幾百個時鐘周期。因此采用軟件的方法來保存處理器狀態(tài)會降低處理器對異常的響應(yīng)速度，不利于處理器在實時系統(tǒng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)處理器對異常的響應(yīng)速度低的不足，本發(fā)明提供一種嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法，提高了處理器對異常的響應(yīng)速度。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述步驟1)采用分布式結(jié)構(gòu)，在嵌入式處理器流水線的取指級、譯碼級、執(zhí)行級、訪存級以及寫回級均設(shè)置一個異常檢測邏輯，檢測當前時鐘周期該流水級產(chǎn)生的異常類型，并向集中式異常仲裁邏輯傳遞檢測到的該周期該級產(chǎn)生的優(yōu)先級最高異常的相關(guān)信息；2)對嵌入式處理器流水線的每一個體系結(jié)構(gòu)寄存器增加一個鏡像寄存器；3)處理器響應(yīng)異常時，將體系結(jié)構(gòu)寄存器保存到與其對應(yīng)的鏡像寄存器中，加載異常向量，執(zhí)行異常服務(wù)子程序；4)當異常返回時，將鏡像寄存器的值恢復(fù)到與其對應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)寄存器中，處理器完成一次異常響應(yīng)，切換至正常的程序流程。
本發(fā)明的有益效果是，由于采用了基于鏡像寄存器的分布式異常處理方法，嵌入式處理器響應(yīng)異常后，可以在一個時鐘周期內(nèi)從正常的處理器狀態(tài)切換到異常處理器狀態(tài)。異常處理完成后，可以在一個時鐘周期內(nèi)從異常處理狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)的“在正常態(tài)和異常態(tài)之間切換需要花費幾百個時鐘周期”相比，大大提高了嵌入式處理器在實時處理方面的速度。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是本發(fā)明嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法流程2是本發(fā)明嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法中分布式結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法中鏡像寄存器結(jié)構(gòu)示意4是背景技術(shù)中文獻PowerPC750處理器的精確異常實現(xiàn)方法流程圖具體實施方式
參照圖1～3，嵌入式處理器的流水線分為5級，分別為取指級，譯碼級，執(zhí)行級，訪存級和寫回級。采用分布式結(jié)構(gòu)，在流水線的每一級均設(shè)置一個異常檢測邏輯。該邏輯負責檢測該級所能夠判斷的所有異常類型，并向流水線集中式異常仲裁邏輯報告該級當前時鐘周期檢測到的優(yōu)先級最高的異常類型。集中式異常仲裁邏輯針對不同的流水級報告的異常，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)定義的異常響應(yīng)的優(yōu)先級進行集中式仲裁，判斷出當前時鐘周期內(nèi)處理器響應(yīng)的優(yōu)先級最高的異常，該結(jié)構(gòu)將異常檢測邏輯分配到流水線的各個流水段，實現(xiàn)對異常的一個時鐘周期的快速檢測。
在流水線處理器設(shè)計中，對每一個體系結(jié)構(gòu)寄存器增加了一個鏡像寄存器，這樣當處理器響應(yīng)異常時，硬件將體系結(jié)構(gòu)寄存器保存到與其對應(yīng)的鏡像寄存器中。當異常返回時，硬件將鏡像寄存器的值恢復(fù)到與其對應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)寄存器中。
當處理器響應(yīng)異常后，處理器現(xiàn)場在一個時鐘周期將體系結(jié)構(gòu)寄存器保存到其對應(yīng)的鏡像寄存器中。中斷服務(wù)子程序只包括真正與中斷處理有關(guān)的核心程序。當異常返回時，硬件在一個時鐘周期內(nèi)將數(shù)據(jù)從鏡像寄存器中恢復(fù)到體系結(jié)構(gòu)寄存器中，異常處理完成。同時分布式的異常檢測結(jié)構(gòu)加快了異常的響應(yīng)速度。
這種實現(xiàn)方法，同現(xiàn)有方法相比，避免了通過軟件的方法來保存處理器現(xiàn)場所產(chǎn)生的訪存延時。異常服務(wù)子程序只包括與該異常有關(guān)的核心程序。處理器因異常響應(yīng)所引起的現(xiàn)場切換完全由硬件負責保存和恢復(fù)。該方法可以在一個時鐘周期內(nèi)完成處理器現(xiàn)場的切換，將處理器處理異常時由于現(xiàn)場的切換所造成的性能損失降到了最低，加快了嵌入式處理器對異常的實時響應(yīng)能力。
本發(fā)明在我們設(shè)計完成的嵌入式處理器“龍騰R2”中，完成了該處理器的異常響應(yīng)機制。該嵌入式處理器運行Vxworks操作系統(tǒng)，通過串口異常和個人計算機進行數(shù)據(jù)交互。通過Vxworks操作系統(tǒng)的測試，采用該方法設(shè)計的異常處理機制和基于軟件的異常處理機制相比，處理器的異常處理性能提高了10倍。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述步驟1)采用分布式結(jié)構(gòu)，在嵌入式處理器流水線的取指級、譯碼級、執(zhí)行級、訪存級以及寫回級均設(shè)置一個異常檢測邏輯，檢測當前時鐘周期該流水級產(chǎn)生的異常類型，并向集中式異常仲裁邏輯傳遞檢測到的該周期該級產(chǎn)生的優(yōu)先級最高異常的相關(guān)信息；2)對嵌入式處理器流水線的每一個體系結(jié)構(gòu)寄存器增加一個鏡像寄存器；3)處理器響應(yīng)異常時，將體系結(jié)構(gòu)寄存器保存到與其對應(yīng)的鏡像寄存器中，加載異常向量，執(zhí)行異常服務(wù)子程序；4)當異常返回時，將鏡像寄存器的值恢復(fù)到與其對應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)寄存器中，處理器完成一次異常響應(yīng)，切換至正常的程序流程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種嵌入式實時精確異常機制的硬件實現(xiàn)方法，包括下述步驟采用分布式結(jié)構(gòu)，在嵌入式處理器流水線的取指級、譯碼級、執(zhí)行級、訪存級以及寫回級均設(shè)置一個異常檢測邏輯，檢測當前時鐘周期該流水級產(chǎn)生的異常類型，并向集中式異常仲裁邏輯傳遞檢測到的該周期該級產(chǎn)生的優(yōu)先級最高異常的相關(guān)信息；對嵌入式處理器流水線的每一個體系結(jié)構(gòu)寄存器增加一個鏡像寄存器；處理器響應(yīng)異常時，將體系結(jié)構(gòu)寄存器保存到與其對應(yīng)的鏡像寄存器中；當異常返回時，將鏡像寄存器的值恢復(fù)到與其對應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)寄存器中，處理器完成一次異常響應(yīng)，切換至正常的程序流程。由于采用了基于鏡像寄存器的分布式異常處理方法，提高了嵌入式處理器實時處理速度。
文檔編號G06F9/38GK1866200SQ20061004286
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者高德遠, 樊曉椏, 張盛兵, 王黨輝, 安建鋒, 黃小平, 張萌 申請人:西北工業(yè)大學