OpenRisc-44-or1200的pipeline整体分析

引言

我们在前面分析了ORPSoC，or1200_top，和or1200_cpu的整体架构，在最近，我们也分析了or1200的pipeline（流水线）中的两级，EX级和IF级。

但是，我们还没有从宏观的角度，整体的了解一下or1200的流水线结构，本小节就做这件事情。

1，流水线

1>概述

关于流水线的概念，历史，划分等等这些内容，在很多文献里都提到过，而且我们之前也介绍过，这里不再展开阐述，如有疑问请参考：

http://blog.csdn.net/rill_zhen/article/details/8038697

或者

http://en.wikipedia.org/wiki/Pipeline_(computing)

2>or1200的流水线

在分析or1200的流水线之前，我们有必要先了解一下关于or1200_top（OpenRISC的一种实现，包括core和外围模块）。

下面一段内容来自官网：http://opencores.org/or1k/OR1200_OpenRISC_Processor

1》概述

or1200是一个32-bit的标量RISCharvard架构的微处理器。具有5级整型流水（没有fpu），支持MMU和基本的DSP处理能力。

默认配置下，or1200的dcache和icache都是8K直接映射，cacheline是16B。dcache和icache都是物理索引（也就是说cache的地址是物理地址，关于什么是物理索引，虚拟索引，虚拟物理混合索引，我们之前介绍过，请参考：http://blog.csdn.net/rill_zhen/article/details/9491095）。

默认配置下，or1200的dmmu和immu中的TLB都是基于散列的，映射方式采用直接映射，dtlb和itlb都是64 entry。

or1200除了最基本的模块外，还增加了debug，tt，pic，pm等模块。

2》基本架构组成

a，核心模块：CPU/DSP

b，兼容IEEE754单精度的FPU

c，直接映射数据cache

d，直接映射指令cache

e，基于散列DTLB的数据MMU

f，基于散列ITLB的指令MMU

g，具有功耗管理单元和功耗管理接口

h，嘀嗒定时器

i，中断控制器和中断接口

j，指令总线和数据总线都是wishbone B3

3》目前状态

or1200是稳定版本，并且已经在很多商用ASIC和FPGA上实现了。但是为了增加新的特性和进一步的完善它，所以开发还在继续。

4》验证

or1200利用or1ksin(or1200的simulator)，在模拟器上跑了很多C和汇编程序。

5》调试接口

一般情况下，or1200都有一个debug nuit模块，和JTAG模块来实现对or1200的在线调试。

6》or1200的实现

or1200在0.18u 6LM工艺下，工作在150MHz时，测量其性能有150多个dhrystone，相当于2.1MIPS，MAC运算能力为150个。（Dhrystone是测量处理器运算能力的最常见基准程序之一，常用于处理器的整型运算性能的测量。程序是用C语言编写的，因此C编译器的编译效率对测试结果也有很大影响。Dhrystone的计量单位为每秒计算多少次Dhrystone，后来把在VAX-11/780机器上的测试结果1757 Dhrystones/s定义为1 Dhrystone MIPS(百万条指令每秒)）。

如果采用默认配置，整个or1200所用的门的数量大概是40K个。

7》实现和性能统计

采用默认配置，在FPGA上实现的情况统计：
15K core cells (1850 FFs, 48 block RAMs) at 25MHz on Actel ProASIC3 technology

4K LUTs, 7 block RAM at 60MHz on Xilinx Virtex 5 technology

ORPSoC的性能统计：(benchmarks run within ORPmon)

OR1200, 8KByte/4KByte I/D cache, hardware multiply/divide disabled, @20MHz on Actel ProASIC3, SDR SDRAM
Dhrystone (120,000 runs): 17,000 Dhrystones/second

CoreMark 1.0 : 11.954573 (0.6 CoreMark/MHz) / GCC4.5.1-or32-1.0rc1 -O2 -msoft-mul -msoft-div -msoft-float / STACK
OR1200, 8KByte/4KByte I/D cache, hardware multiply/divide enabled, @20MHz on Actel ProASIC3, SDR SDRAM
Dhrystone (120,000 runs): 20,000 Dhrystones/second

CoreMark 1.0 : 25.773196 (1.25 CoreMark/MHz) / GCC4.5.1-or32-1.0rc1 -O2 -mhard-mul -mhard-div -msoft-float / STACK
OR1200, 32KByte/32KByte I/D cache, hardware multiply/divide enabled, @50MHz on Xilinx ML501
Dhrystone (500,000 runs): 50,000 Dhrystones/second

CoreMark 1.0 : 66.788100 (1.34 CoreMark/MHz) / GCC4.5.1-or32-1.0rc1 -O3 -mhard-mul -mhard-div -msoft-float -nostdlib / STACK

最小配置时，在FPGA上的实现：
7K core cells (1100 FFs, 4 block RAMs) at 35MHz on Actel ProASIC3 technology
2.4K LUTs, 1 block RAM at 125MHz on Xilinx Virtex 5 technology

2，or1200的流水线结构

1>a general picture

惯例，在分析or1200 core的流水线结构之前，我们先看一下or1200_cpu的所有模块的连接图，如下所示：

从中我们可以看出，整个or1200的CPU =内核一共由14个module组成。

2>or1200的流水线线结构

一般，在进行computer architecture design时，大体上分为两部分工作，一部分是数据通路的设计，另外一部分是控制通路的设计。所以，我们在分析or1200的架构时，也从这两个方面分析。

通过前面的介绍，我们知道or1200 的内核采用经典五级流水，由14个子模块组成，那么整体结构如何，各个流水线阶段都由那些子模块组成呢？如下所示：

3>子模块功能

1》数据通路

之前，我们已经分析了IF级和EX级的模块，请参考：

IF级：

http://blog.csdn.net/rill_zhen/article/details/9733811

EX级：

http://blog.csdn.net/rill_zhen/article/details/9700155

EX级需要说明的是fpu模块虽然从图中看是实现了浮点运算，但实际上这个模块内部什么都没有，不要以为有一个叫fpu的模块就说or1200支持浮点运算。

下面我们简单说一下其它三个流水线阶段。

ID级：

也就是指令解码阶段，这个阶段由ctrl一个模块组成，其功能就是根据IF级的if模块读取指令cache获得的指令，根据指令格式进行解析，产生各种控制信号。

MA级：

也就是访存阶段，这个阶段由lsu（load store unit）一个模块组成，其功能就是读写外部的主存，当然，要先经过dmmu和dcache两道关卡。

WB级：

也就是写回阶段，这个阶段由wb_mux和rf两个模块组成，由于想进行写回操作的模块不止一个，所以需要一个mux。rf就是寄存器堆，其物理结构是两个双端口的RAM，值得注意的是这两个RAM的两个地址端口连在一起，而两个数据输出端口是分开的。而两个RAM分别存放第一个操作数和第二操作数，这样组织的结果就是只要一次写操作，同时写两个操作数，只需要一次读操作，就可以同时读到两个操作数。其结构如下：

2》控制通路

or1200的控制通路由sprs，cfgr，freeze，except共4个模块组成。

其中sprs（special registers）的功能时读写特殊功能寄存器。

cfgr（config register）是一个只读的rom模块，rom里面存放的是or1200的配置信息，在硬件综合后，各种define都已确定，并存入cfgr内部。

freeze模块根据控制信号，来暂停流水线。

except模块是or1200的异常处理模块，根据不同的异常类型产生异常控制信号。

3，小结

本小节从宏观的角度介绍了or1200的流水线的结构，并对每个流水阶段做了简单介绍。