CC BY
41KiT#2 6(9)_Olia.qxd 4/11/05 10:18 AM Page 60
Компоненты и технологии, № 9'2002
Окончание. Начало в № 8'2002
Микроконтроллер для встроенного применения - NIOS. Система команд и команды, определяемые пользователем.
Часть II. Команды перехода, исключения, конвейер и команды, определяемые пользователем
Иосиф Каршенбойм
Команды управления выполнением программы
К командам управления выполнением программы относятся команды перехода и обработки исключений:
• две команды относительного перехода (BR и BSR);
• две команды абсолютного перехода (JMP и CALL);
• две команды обработки исключений (TRET и TRAP);
• пять команд условных переходов (SKPs, SKP0, SKP1, SKPRz и SKPRnz).
Команды относительного перехода В Nios используется две команды относительного перехода — BR и BSR. Адрес перехода вычисляется по текущему счетчику программы (то есть непосредственно от адреса команды BR) и полю команды IMM11. Работа команды BSR отличается от BR тем, что адрес возврата сохраняется в %o7. Обе команды выполняются без условий. Если необходимо выполнение условных переходов, то команде BR или BSR должна предшествовать команда типа SKP. Обе команды (BR и BSR) имеют слот задержки перехода: команда, следующая сразу после BR или BSR, выполняется после BR или BSR, но перед выполнением команды перехода в новый адрес (см. ниже «Слоты задержки перехода»). Диапазон перехода команд BR и BSR: вперед до 2048 байт или назад до 2046 байт относительно адреса команды BR или BSR.
Команды абсолютного перехода В Nios используется две команды абсолютного перехода — JMP и CALL. Адрес перехода задается содержанием регистра общего назначения. Содержание регистра сдвигается влево на один бит и передается в PC. Команда CALL отличается от JMP тем, что адрес возврата сохраняется в %o7. Обе команды выполняются без условий. Если необходимо выполнение условных переходов, то командам JMP или CALL должна предшествовать команда типа SKP.
Обе команды JMP и CALL имеют слот задержки перехода: команда, следующая сразу после JMP и CALL, выполняется после JMP и CALL, но перед выполнением команды перехода в новый адрес.
Псевдокоманда LRET, которая является псевдонимом ассемблера для JMP %o7, традиционно используется для возврата из подпрограммы.
Команды «TRAP»
Процессор Nios имеет две команды для программной обработки исключения: TRAP и TRET. В отли-
чие от JMP и CALL, ни TRAP, ни TRET не имеют слота задержки перехода: команда, следующая сразу после TRAP, не выполняется до окончания работы драйвера исключения. Команда, следующая за TRET, вообще не выполняется как часть операции TRET.
Условные команды
Есть пять условных команд (SKPs, SKP0, SKP1, SKPRz, и SKPRnz). Каждая из этих команд имеет обратную команду ассемблера (IFs, IF0, IF1, IFRz, и IFRnz соответственно). Каждая из этих команд проверяет внутреннее состояние CPU и затем выполняет следующую команду или не выполняет (в зависимости от результата). Работа всех пяти команд типа SKP (и их псевдонимов) идентична и отличается только условием. В каждом случае следующая за условной команда выбирается из памяти независимо от результата проверки условия. Но, в зависимости от результата проверки условия, она будет выполнена или отменена.
Несмотря на то что SKP и команды условного выражения типа IF часто используются совместно с последующей командой перехода (JMP, CALL) или с командой ветвления (BR, BSR), чтобы выполнить действие по условию, они могут использоваться и с любой другой командой. Последующее использование команды PFX (PFX немедленно после команды SKPx или IFx) представляет специальный случай, когда следующие две команды либо будут отменены, либо выполнены. Пары команд, в которых присутствуют PFX и команды, выполняемые по условию, можно назвать «атомный модуль».
Исключения
Процессор Nios позволяет иметь до 64 векторных исключений. Исключения могут быть либо глобально разрешены, либо глобально заблокированы управляющим битом IE в регистре STATUS, либо выборочно разрешены в соответствии с разрешенным приоритетом IPRI в регистре STATUS. Исключения генерируются любым из трех источников: внешние аппаратные прерывания, внутренние исключения или программные команды TRAP.
Модель обработки исключения Nios позволяет производить точную обработку всех внутренних исключений, то есть механизм передачи исключения оставляет подпрограмму обработки исключения с достаточной информацией, чтобы восстановить состояние
Компоненты и технологии, № 9'2002
прерванной программы. Внутренние исключения генерируются, если команда SAVE или RESTORE вызывает выход за пределы окна регистрового файла.
Подпрограммы обработки исключений всегда выполняются в открытом окне регистра, позволяя иметь очень малое время ожидания обработки прерывания. Драйвер исключения не требует сохранять содержание регистра статуса при прерываниях вручную.
Таблица векторов исключений
Таблица векторов исключений — это набор 64 адресов драйверов исключения. Для Nios CPU-32 каждый вход — это 4 байт, а для Nios CPU-16 каждый вход — 2 байт. Базовый адрес таблицы векторов исключений может иметь перестраиваемую конфигурацию.
Когда Nios CPU обрабатывает номер исключения n, то он выбирает n-й вход из таблицы векторов исключений, удваивает выбранное значение и затем загружает результаты в PC.
Таблица векторов исключений может физически постоянно находиться в оперативной памяти или в ROM, в зависимости от аппаратной карты памяти целевой системы. Таблица векторов исключений в ROM не будет требовать инициализации во время выполнения.
Внешний источник аппаратного прерывания
Внешний источник может запрашивать аппаратное прерывание, передавая на вводы irq_number 6-битовый номер прерывания и одновременно устанавливая 1 на входе irq. Nios обработает исключение, если установлен бит IE и требуемый номер прерывания меньше текущего значения в поле IPRI регистра STATUS (то есть имеет более высокий приоритет). Управление передается драйверу исключения, чей номер подается на входы irq_number.
Внешняя логика, необходимая для того, чтобы подать на вход irq_number номер прерывания и установить сигнал на входе irq, автоматически генерируется программным обеспечением Nios SOPC builder и включена в периферийный модуль шины PBM вне процессора. Периферийные устройства, требующие прерывание, генерируют только один или более сигналов запроса на прерывание, которые объединяются в пределах PBM, где производится генерация сигналов Nios irq_number и устанавливается сигнал irq.
Вход Nios irq работает по уровню. Входы irq и irq_number проверяются на каждом переднем фронте синхрочастоты. Внешние источники, которые генерируют прерывания, должны установить свои сигналы на выводах irq, пока прерывание не подтверждено программным обеспечением (например, сброс запроса прерывания периферийного устройства в 0 при соответствующей записи в регистр). Прерывания, которые установлены, а затем сброшены до того, как Nios начнет их обрабатывать, игнорируются.
Внутренние источники исключения
Есть два источника внутренних исключений: переполнение окна регистра и выход за нижний предел окна регистра. Архитектура процессора Nios позволяет точную обработку для всех внутренних исключений.
В каждом случае для драйвера исключения можно установить все условия для того, чтобы команды обработки исключения были успешно выполнены.
Выход за нижний предел окна регистра
Исключение, происходящее всякий раз при выходе за нижний предел окна регистра, то есть когда используется самое низкое допустимое окно регистра (CWP = LO_LIMIT) и выполняется команда SAVE. Команда SAVE перемещает CWP ниже LO_LIMIT, и %sp устанавливается как и при нормальной операции SAVE. В этом случае генерируется исключение выхода за нижний предел окна регистра, и управление передается подпрограмме обработки исключения, прежде чем следующая за SAVE команда будет выполнена.
Когда команда SAVE вызывает исключение выхода за нижний предел окна регистра, CWP декрементируется только один раз, прежде чем управление переходит к подпрограмме обработки исключения. Драйвер исключения выхода за нижний предел окна регистра считает значение CWP = LO_LIMIT — 1. Исключение выхода за нижний предел окна регистра имеет номер 1. CPU не будет обрабатывать исключение выхода за нижний предел окна регистра, если прерывания заблокированы (IE = 0) или текущее значение в IPRI меньше или равно 1.
Действие, предпринимаемое подпрограммой драйвера исключения выхода за нижний предел окна регистра, зависит от требований системы. Для систем, выполняющих большой и сложный код, драйверы выхода за нижний предел окна регистра (так же, как и выхода за верхний предел окна регистра) могут представлять файловый регистр как виртуальный файловый регистр, который простирается за пределы физического файлового регистра. Когда происходит выход за нижний предел окна регистра, драйвер выхода за нижний предел окна регистра мог бы (например) сохранять текущее содержание полного файла регистра в памяти и перезагружать CWP назад в HI_LIMIT, позволяя программе продолжить открывать окна регистра. С другой стороны, есть много встроенных систем, где пользователи могли бы желать управлять использованием стека и глубиной вложений вызовов подпрограмм. Такие системы могли бы осуществлять вывод сообщения об ошибках в драйвере выхода за нижний предел окна регистра и после этого выходить из программы.
Программист определяет характер и действия, принятые драйвером исключения выхода за нижний предел окна регистра. Комплект разработчика программного обеспечения Nios SDK включает и автоматически устанавливает по умолчанию подпрограмму, которая вир-туализирует файл регистра, используя стек как временную память.
Исключение выхода за нижний предел окна регистра может быть вызвано только командой SAVE. Непосредственная запись в CWP (через команду WRCTL) значения меньшего, чем LO_LIMIT, не будет вызывать исключение выхода за нижний предел окна
регистра. Выполнение команды SAVE, когда CWP уже ниже LO_LIMIT, не будет вызывать исключение выхода за нижний предел окна регистра.
Переполнение окна регистра
Исключение переполнения окна регистра происходит всякий раз, когда используется самое высокое допустимое окно регистра (CWP = HI_LIMIT) и выполняется команда RESTORE. Управление будет передано подпрограмме обработки исключения прежде, чем выполнится команда, следующая после RESTORE.
Когда исключение переполнения окна регистра принято, CWP установлен в HI_LIMIT так, будто CWP инкрементируется командой RESTORE, но затем немедленно декрементируется, как в последствие нормальной обработки исключения. Исключение переполнения окна регистра имеет номер 2.
Действие, предпринимаемое подпрограммой драйвера исключения переполнения, зависит от требований системы. Для систем, выполняющих большой и сложный код, переполнение может создавать виртуальный файл регистра, который выходит за пределы физического файла регистра. Когда переполнение происходит, драйвер переполнения мог бы, к примеру, перезагружать все содержание физического файла регистра из стека и восстанавливать CWP назад в LO_LIMIT. Есть множество систем, где пользователи могли бы желать управлять использованием стека и глубиной вложенности подпрограмм. Такие системы могли бы выводить сообщения об ошибках в драйвере переполнения окна регистра и после этого осуществлять выход из программы.
Программист определяет характер и действия, предпринимаемые драйвером. Nios SDK автоматически устанавливает драйвер переполнения окна регистра, который виртуали-зирует файловый регистр, используя стек.
Исключение переполнения окна регистра может быть вызвано только командой RESTORE. Непосредственная запись в CWP (через команду WRCTL) значения большего, чем HI_LIMIT, не будет вызывать исключение переполнения окна регистра. Выполнение команды RESTORE, когда CWP уже выше HI_LIMIT, также не будет вызывать исключение переполнения окна регистра.
Прямые программные исключения (команды TRAP)
Программное обеспечение может непосредственно передавать управление драйверу исключения, используя команду TRAP. Поле IMM6 команды дает номер исключения. Команды TRAP всегда обрабатываются, независимо от установки битов IPRI или IE. Команды TRAP не имеют слота задержки. Команда, следующая немедленно после TRAP, будет выполнена после выхода из драйвера исключения.
Ссылка на команду, следующую после TRAP, будет сохранена в %o7 так, чтобы команда TRET передала управление назад команде, следующей после TRAP при завершении обработки исключения.
Компоненты и технологии, № 9'2002
Последовательность обработки исключения
Когда исключение от любого из источников, упомянутых выше, будет обработано, производятся следующие действия:
1. Содержание регистра STATUS будет скопировано в регистр ISTATUS.
2. CWP декрементируется и открывает новое окно для использования подпрограммой драйвера исключения (кроме случая, когда произошло исключение выхода за нижний предел окна регистра, где CWP был уже декрементирован командой SAVE, которая и вызвала исключение).
3. IE будет установлен в 0, запрещая прерывания.
4. IPRI будет установлен с 6-битовым номером исключения.
5. Адрес следующей невыполненной команды в прерванной программе будет помещен в %o7.
6. Адрес начала драйвера исключения будет выбран из таблицы вектора исключения и записан в PC.
7. После того как драйвер исключения завершает работу, выдается команда TRET, чтобы возвратить управление к прерванной программе.
Использование окна регистра
Вся обработка исключения производится в последнем открытом окне регистра. Этот процесс уменьшает сложность и время ожидания драйверов исключения, потому что они не ответственны за поддержание аппаратной обработки процедуры исключения. Драйвер исключения может свободно использовать регистры %o0... %L7 в недавно открытом окне. Драйвер исключения не должен выполнять команду SAVE в начале обработки. Использование команд SAVE и RESTORE внутри драйверов исключения будет обсуждено позже.
Поскольку передача управления обработчику исключения всегда открывает новое окно регистра, программы должны всегда оставлять одно окно регистра доступным для исключений. Установка (настройка) LO-LIMIT в 1 гарантирует, что одно окно является доступным для исключений (значение сброса LO_LIMIT— 1). Всякий раз, когда программа выполняет команду SAVE, которая может израсходовать последнее окно регистра (CWP = 0), генерируется «trap» при выходе за нижний предел окна регистра. Драйвер выхода за нижний предел окна регистра для самого регистра будет выполнен в конечном окне (с CWP = 0).
Правильно написанное программное обеспечение никогда не будет обрабатывать исключение, когда CWP = 0. CWP может быть только 0 во время обработки исключения, и драйверы исключения должны иметь четкую защиту от перепредоставления прерываний.
Сохранение состояния: регистр ISTATUS
Когда исключение происходит, регистр STATUS будет скопирован в регистр ISTATUS. Затем регистр STATUS будет изменен (IE сбро-
шен в 0, IPRI устанавливается в 1 и декрементируется CWP). Первоначальное содержание регистра STATUS сохраняется в регистре ISTATUS. Когда обработчик исключения возвращает управление к первоначальной программе, содержание регистра первоначальной программы STATUS будет восстановлено из ISTATUS командой TRET.
После входа в драйвер исключения прерывания будут автоматически заблокированы, так что нет никакой опасности, что данные, хранящиеся в регистре ISTATUS, будут перезаписаны последующим прерыванием или исключением. Случаи вложенных драйверов исключения (драйверы исключения, которые используют или переразрешают исключения) будут подробно обсуждены ниже.
Вложенные драйверы исключений должны явно сохранять, поддерживать и восстанавливать содержание регистра ISTATUS прежде и после предоставления последующих прерываний.
Адрес возврата
Когда происходит исключение, выполнение основной программы временно приостанавливается. Команда, которая резервировалась (то есть команда, которая выполнится, но еще не выполнялась) в прерванной программе, определяется как место возврата после обработки исключения.
Место возврата будет сохранено в %o7 (последнее открытое окно регистра в драйвере исключения) прежде, чем управление будет передано драйверу исключения. Значение, сохраненное в %o7 — адрес байта команды возврата, сдвинутое вправо на один бит. Это значение непосредственно используется как адрес команды TRET. Драйверы исключения обычно выполняют команду TRET %o7, чтобы возвратить управление прерванной программе.
Простые и сложные драйверы исключения Архитектура процессора Nios позволяет создавать эффективные, простые драйверы исключения. Аппаратные средства выполняют сохранение состояния многих регистров еще до того, как запустится требуемый драйвер исключения. Простые драйверы исключений могут игнорировать все автоматические аспекты обработки исключения. Сложные драйверы исключения (например, вложенные) должны быть выполнены с дополнительными предосторожностями.
Простые драйверы исключения
Драйвер исключения рассматривается как простой, если он подчиняется следующим правилам:
• не переразрешает прерывания;
• не использует SAVE или RESTORE (непосредственно, либо вызывая подпрограммы, которые используют SAVE или RESTORE);
• не использует команды TRAP и не вызывает никакие подпрограммы, использующие команды TRAP;
• не изменяет содержание регистров %g0... %g7, или %i0... %i7.
Любой драйвер исключения, который подчиняется этим правилам, может не использо-
вать специальные меры защиты ISTATUS или адреса возврата в %o7. Простой драйвер исключения не требует специального управления окном регистра или CWP.
Сложные драйверы исключения
Драйвер исключения рассматривается как сложный, если он нарушает любое из требований к простому драйверу исключения, перечисленных выше. Сложные драйверы исключения позволяют вложенную обработку исключений и выполнение более сложного кода (например, подпрограммы, имеющие команды SAVE и RESTORE). Сложный драйвер исключения имеет следующие дополнительные особенности:
• Он должен сохранить содержание ISTATUS перед перепредоставлением прерываний. Например, ISTATUS может быть сохранен в стеке.
• Он должен проверить CWP перед перепре-доставлением прерываний, чтобы убедиться, что CWP расположен выше LO_LIMIT. Если CWP расположен ниже LO_LIMIT, то он должен открыть более доступные окна регистра (например, сохранить содержание файлового регистра в оперативной памяти) или сообщить об ошибке.
• Он должен переразрешить прерывания при выполнении двух вышеупомянутых условий перед выполнением любых команд SAVE или RESTORE или подпрограмм, которые выполняют команды SAVE или RESTORE.
• До возвращения управления к основной программе, в которой возникло прерывание, он должен восстановить содержание регистра ISTATUS, включая любые корректировки CWP, если окно регистра было преднамеренно сдвинуто.
• До возвращения управления к основной программе он должен восстановить содержание окна регистра в основной программе.
Конвейер
Одна операция конвейера Nios CPU имеет конвейерную RISC-архитектуру. Работа конвейера скрыта от программного обеспечения, кроме случаев со слотами задержки перехода и случаев, когда CWP изменяется при прямой записи WRCTL. Стадии работы конвейера включают:
• Выборка команды. Nios CPU устанавливает адрес для подсистемы памяти, откуда возвращается команда, хранящаяся в данном адресе.
• Производится декодирование команды и, если есть операнды, то они читаются из файлового регистра. Адрес перехода для команд BR и BSR вычисляется на специализированном сумматоре.
• Выполнение. Операнды и управляющие биты передаются в ALU. ALU вычисляет результат.
• Запись. Производится, когда требуется, чтобы результат ALU был записан в регистр назначения.
Компоненты и технологии, № 9'2002
Слоты задержки перехода
Слот задержки перехода — это команда, немедленно следующая после BR, BSR, CALL или JMP. Слот задержки перехода выполняется после команды перехода, но перед командой, которая будет выполняться по новому адресу после перехода. Таблица 12 иллюстрирует слот задержки перехода для команды BR.
Таблица 12. Пример слота задержки команды
BR Branch
(a) es' o o < %g3
(b) BR Target
(c) ADD %g4, %g5 Branch Delay
(d) -o g D D A %g7
Target:
(e) oo g D D A %g9
После того как команда перехода (b) принята, команда (с) выполняется прежде, чем управление передается по адресу перехода (e). Последовательность выполнения вышеупомянутого фрагмента кода была бы (а), (b), (с), и (e). Команда (с) — слот задержки перехода команды (b). Команда (d) не выполняется. Большинство команд может использоваться как слот задержки перехода, кроме следующих:
BR, RSR, CALL, IF1, IFO, IFRnz, IFRz, IFs, JMP, LRET, PFX, RET, SKP1, SKPO, SKPRnz, SKPRz, SKPs, TRET, TRAP.
Прямая манипуляция CWP Каждая команда WRCTL, изменяющая регистр STATUS (%ctl0), должна сопровождаться командой NOP.
Команды, определяемые пользователем
В версии 2.0 процессора Nios фирмой Altera произведено важное дополнение к возможностям системы — введены команды, определяемые пользователем (заказные команды). Теперь проектировщики могут ускорять критические по времени выполнения программные алгоритмы, добавляя собственные коман-
То FIFO, Memory, or Other Logic
Рис. 6. Добавление логики пользователя к ALU процессора NIOS
ды к системе команд Nios. Системные проектировщики могут использовать такие команды, чтобы добавить к ALU аппаратный узел собственной разработки, позволяющий обрабатывать задачи за один или несколько тактов процессора. Используя такие команды, дополнительно добавленная пользователем логика может обращаться к памяти и логике вне системы Nios (см. рис. 6).
Используя заказные команды, системные проектировщики могут уменьшать сложную последовательность стандартных команд, применяя вместо них единственную команду, которая аппаратными средствами выполняет те же действия. Системные проектировщики могут использовать эту особенность для ряда прикладных программ, например, оптимизи-
Таблица 13. Команды пользователя:
код операции, тип и формат
Код операции Тип Формат
USR0 RR Ra <- Ra op Rb
USR1 Rw Ra <- Ra op %r0
USR2 Rw Ra <- Ra op %r0
USR3 Rw Ra <- Ra op %r0
USR4 Rw Ra <- Ra op %r0
Таблица 14. Описание формата записи команд для 32-битной версии
Notation Meaning
X ^ Y X is written with Y
0^ е Expression e is evaluated, and the result is discarded
RA One of the 32 visible registers, selected by the 5-bit a-field of the instruction word
RB One of the 32 visible registers, selected by the 5-bit b-field of the instruction word
RP One of the 4 pointer-enabled (P-type) registers, selected by the 2-bit p-field of the instruction word
iMMn An n-bit immediate value, embedded in the instruction word
К The 11 -bit value held in the K register, (K can only be set by a PFX instruction}
Oxnn.mm Hexadecimal notation (decimal points not significant added for clarity)
X : Y Bitwise-concatenation operator. For example: (0x12 : 0x34) = 0x1234
{el, e'} Conditional expression. Evaluates to e2 if previous instruction was PFX, e1 otherwise
a(X) X after being sign-extended into a full register-sized signed integer
X[n] The nth bit of X (n = 0 means LSB)
X[n..m] Consecutive bits n through m of X
С The C (carry) flag in the STATUS register
CTLk One of the 2047 control registers selected by K
PC (Program Counter) Byte address of currently executing instruction.
X >> n The value X after being right-shifted n bit positions
X<<n The value X after being left-shifted n bit positions
bnX The nth byte (8-bit field) within the full-width value X. b0X = X[7..0], uX = X[15..8], b2X = X[23..16], and b3X = X[31..24]
hnX The nth half-word (16-bit field) within the full-width value X. h0X = X[15..0]. h1X = X[31..16]
X & Y Bitwise logical AND
X | Y Bitwise logical OR
X ® Y Bitwise logical exclusive OR
~X Bitwise logical NOT (one’s complement)
IXI The absolute value of X (that is, -X if (X < 0), X otherwise).
Mem32[X] The aligned 32-bit word value stored in external memory, starting at byte address X
aIign32(X) X & 0xFF.FF.FF.FC, which is the integer value X forced into full-word alignment via truncation
VECBASE Byte address of Vector #0 in the interrupt vector table (VECBASE is configurable)
ровать программные циклы для обрабатываемого по алгоритмам DSP цифрового сигнала, обработки заголовка пакета и для прикладных программ со сложными вычислениями. Более того, как уже говорилось [1], применение заказных команд позволит реализовывать муль-тимикропроцессорные устройства, где ведущий процессор запускает на выполнение процесс в ведомом через обращение к нему заказной командой. Здесь необходимо отметить основное отличие микропроцессорного устройства, реализованного в FPGA от стандартного микропроцессора. В стандартном микропроцессоре скорость обработки задачи зависит только от скорости работы самого микропроцессора, ресурсов микропроцессора, таких, как разрядность шин, число регистров, наличие умножителей и т. д. и эффективности программного кода. При этом обычно все ресурсы микропроцессора участвуют в решении задачи последовательно, а данные из одного «элемента вычислительного процесса» переносятся в другой «элемент вычислительного процесса» под управлением программы, которая выполняется при данном решении задачи. Для микропроцессорного устройства, реализованного в FPGA, ресурс — это логические ячейки в
Таблица 15. Формат команд
для 32-битной версии
RR
Ri5
Ri4
Rpi5
Rió
Ri8
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
opó B A
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
opó IMM5 A
15|14|13|12|1 110 9 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 10
opó 0 IM4 A
15114113112 11110 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
op4 B A
15|14|13|12|11 10 9 1 817 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
op5 IMMó A
15114113 12|11|10| 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
op3 IMM8 A
15|14|13|12|11|10 9|8|7|ó|5|4|3|2|1 0
opó IMM9 0
i10
ill
Rilu
Ri2u
i8v
ióv
Rw
i4v
15|14|13|12|11|10 9|8|7|ó|5|4|3|2|1 |0
opó IMM10
15|14|13|12|11 10 91817 1 ó 1 5 1 4 1 31211 1 0
op5 IMM11
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 ó 5 4|3|2|1 0
opó op3u IMM1u 0 A
15|14|13|12|1 110 9 1 8 1 7 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 10
opó op3u IMM2u A
15|14|13|12|11|10 9 1 8 7|ó|5|4|3|2|1|0
opó op2v IMM8w
15|14|13|12|11|10 9 1 8 7 ó 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0
opó op2v 0 0 IMMów
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 1 3 1 2 1 1 1 0
opó op5w A
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 3 1 2 1 1 1 0
opó op5w 0 IMM4w
15|14|13|12|11|10 9 1 8 1 7 1 ó 1 5 4 3 2 1 0
opó op5w 0 0 0 0 0
i9
Компоненты и технологии, № 9'2002
Таблица 16.1. Коды операций команд для 32-битной версии
Таблица 16.2. Коды операций команд для 32-битной версии
Opcod Mnemonic Format Summary
000000 ADD RR RA ^ RA + RB Flags affected: N, V, C, Z
000001 ADDI Ri5 RA ^ RA+(0x00.00 : K : IMM5) Flags affected: N, V, C, Z
000010 SUB RR RA ^ RA - RB Flags affected: N, V, C, Z
000011 SUBI Ri5 RA ^ RA - (0x00.00 : K : IMM5) Flags affected: N, V, C, Z
000100 CMP RR 0^ RA - RB Flags affected: N, V, C, Z
000101 CMPI Ri5 0^ RA - (0x00.00 : K : IMM5) Flags affected: N, V, C, Z
000110 LSL Ri5 RA ^ (RA<<RB[4..0]), Zero-fill from right
000111 LSLI Ri5 RA ^ (RA<<IMM5), Zero-fill from right
001000 LSR RR RA ^ (RA>>RB[4..0]), Zero-fill from left
001001 LSRI Ri5 RA ^ (R>>IMM5), Zero-fill from left
001010 ASR RR RA ^ (RA>>RB[4..0]), Fill from left withRA [31]
001011 ASRI Ri5 RA ^ (RA>>IMM5), Fill from left withRA [31]
001100 MOV RR RA ^ RB
001101 MOVI Ri5 RA ^ (0x00.00 : K : IMM5)
001110 AND RR Ri5 RA ^ RA & {RB, (0x00.00 : K : IMM5)} Flags affected: N, Z
001111 ANDN RR, Ri5 RA ^ RA &~({RB, (0x00.00 : K : IMM5)}) Flags affected: N, Z
010000 OR RR Ri5 RA ^ RA | {RB, (0x00.00 : K : IMM5)} Flags affected: N, Z
010001 XOR RR Ri5 RA ^ RA ® {RB, (0x00.00 : K : IMM5)} Flags affected: N, Z
010010 BGEN Ri5 RA ^ 2IMM5
010011 EXT8D RR RA (0x00.00.00 : b"RA) where n = RB[1..0]
010100 SKP0 Ri5 Skip next instruction if: (RA [IMM5] ==0)
010101 SKP1 Ri5 Skip next instruction if: (RA [IMM5] ==1)
010110 LD RR RA ^ Mem32 [align32(RB + (a(K) x 4))]
Таблица 16.3. Коды операций команд для 32-битной версии
Opcode Mnemonic Format Summary
01111101111 Unused
01111110000 ST8D Rw bnMem32 [align32(RA + (a(K) x 4))] ^ bn%r0 where n = RA[1..0]
01111110001 ST16D Rw hnMem32 [align32(RA + (a(K) x 4))] ^ hn%r0 where n = RA[1]
01111110010 FILL8 Rw %r0 ^ (b0RA : b0RA : b0RA : b0RA)
01111110011 FLL16 Rw %r0 ^ (h0RA : h0RA)
01111110100 MSTEP Rw if (%r0[31 ] == 1) then %r0 ^ (%r0 << 1 ) + RA else %r0 ^ (%r0<<1)
01111110101 MUL Rw %r0 ^ (%r0 & 0x0000.ffff) x (RA & 0x0000.ffff)
01111110110 SKPRZ Rw Skip next instruction if: (RA == 0)
01111110111 SKPS Mw Skip next instruction if condition encoded by IMM4w is true
01111111000 WRCTL Rw CTLk ^ RA
01111111001 RDCTL Rw RA ^ CTLk
01111111010 SKPRNZ Rw Skip next instruction if: (RA ! = 0)
01111111011 Unused
01111111100 Unused
01111111101 Unused
01111111110 JIV1P Rw PC ^ (RA x 2)
01111111111 CALL Rw R15 ^ ((PC + 4) >> 1); PC ^ (RA x 2)
100000 BR i11 PC ^ PC + ((a(IMM11) + 1) x 2)
100001 Unused
100010 BSR i11 PC ^ PC + C(a(IMM11) + 1) x 2); %r15 ^ ((PC + 4)>>1)
10011 PFX i11 K ^ IMM11 (K set to zero after next instruction)
1010 STP RPi5 Mem32[align32(RP + (a(K : IMM5) x 4))] ^ RA
1011 LDP RPi5 RA ^ Mem32 [align32(RP + (a(K : IMM5) x 4))]
110 STS Ri8 Mem32[align32(%sp + (IMM8 x 4) )] ^ RA
111 LDS Ri8 RA ^ Mem32 [align32(%sp + (IMM8 x 4))]
Opcode Mnemonic Format Summary
010111 ST RR Mem32 [align32( RB + (a(K) x 4))] ^ RA
011000 STS8S i10 b"Mem32 [align32(%sp + IMM 10)] ^ b"%r0 where n = IMM10[1..0]
011001 STS16S i9 hnMem32 [align32( %sp + IMM9 x 2)] ^ hn%r0 where n - IMM9[0]
011010 EXT16D RR RA ^ (0x00.00 : hnRA) where n = RB[1]
011011 MOVHI Ri5 h1RA ^ (K : IMM5), h0RA unaffected
011100 USRO RR RA ^ RA <user-defined operation> RB
011101000 EXT8S Ri1u RA ^ (0x00.00.00 : bnRA) where n = IMM2u
011101001 EXT16S Ri1u RA ^ (0x00.00 : hnRA) where n = IMMIu
011101010 Unused
011101011 Unused
011101100 ST8S Ri1u bnMem32 [align32(RA + (a(K) x 4))] ^ bn%r0 where n = IMM2u
011101101 ST16S Ri1u hnMem32 [align32(RA + (a(K) x 4))] ^ hn%r0 where n = IMMIu
01111 000 SAVE i8v CWP ^ CWP - 1; %sp ^ %fp - (IMM8V x 4) If (old-CWP == LO_LIMIT) then TRAP #1
0111100100 TRAP i6v ISTATUS ^ STATUS; IE ^ 0; CWP ^ CWP - 1; I PRI ^ IMM6v; %r15 ^ ((PC + 2) >>1); PC ^ Mem32 [VECBASE + (IMM6v x 4)] x 2
01111100000 NOT Rw RA ^ ~RA
01111100001 NEG Rw R A ^ 0 - RA
01111100010 ABS Rw RA ^ |RA|
01111100011 SEXT8 Rw RA ^a(b»RA)
01111100100 SEXT16 Rw RA ^ a(h0RA)
01111100101 RLC Rw C ^ msb (RA); RA ^ (RA << 1 ) : C Flag affected: C
01111100110 RRC RW C ^ RA[0]; RA ^ C : (RA >> 1) Flag affected: C
01111100111 Unused
01111101000 SWAP Rw RA ^ h0RA:hlRA
01111101001 USR1 Rw RA ^ RA <user-defined operation> R0
01111101010 USR2 Rw RA ^ RA <user-defined operation> R0
01111101011 USR3 RW RA ^ RA <user-defined operation> R0
01111101100 USR4 Rw RA ^ RA <user-defined operation> R0
01111101101 RESTORE w CWP ^ CWP + 1; if (old-CWP == HI_LIMIT) then TRAP #2
01111101110 TRET Rw PC ^ (RA x 2); STATUS ^ ISTATUS
FPGA, и формально совершенно не важно, что из этого ресурса организовано и как именно этот ресурс связан с микропроцессором — как отдельный вычислительный узел, например умножитель с накоплением, или как микропрограммный автомат — аппаратный сопроцессор, реализующий конкретную процедуру вычислений, например FFT или FIR. Мало того, когда пользователь определил ресурс, требуемый для решения специфичных аппаратных задач пользователя, все остальные ресурсы микросхемы FPGA могут быть задействованы для реализации вычислительных узлов и аппаратных сопроцессоров.
Далее необходимо отметить еще одну особенность реализации вычислительного процесса в FPGA. При реализации вычислений на аппаратном сопроцессоре данные передаются из одного «элемента вычислительного процесса» в другой аппаратно, не требуя затрат времени от основного процессора. При обработке массивов данных все элементы сопроцессора участвуют в вычислении одновременно, как стадии конвейера обработки данных. Сам же аппаратный сопроцессор может быть настроен на решение требуемой задачи пользователя — разрядность шин, число ступеней конвейера, тип умножителя и т. д. И есть еще одна возможность в FPGA, применив которую, можно значительно повысить скорость обработки задач для многоканальных вычислений. Так, например, при обработке многоканального потока HDLC возможно реализовать аппаратный сопроцессор и дополнительный стек данных для хранения временных результатов вычислений. Загрузка или выгрузка результатов вычислений из аппаратного сопроцессора потребует только одну команду, а сами вычисления для обработки данных в канале потребуют тоже только одну команду от основного процессора. Всего на обработку одного канала потребуется до 10 тактов синхрочастоты основного процессора (1 такт — загрузить сопроцессор состоянием вычислений на предыдущем этапе для данного канала, 8 тактов — обработка байта данных потока HDLC, 1 такт — сохранить результат вычислений сопроцессора для данного канала). Обобщая, можно сказать, что аппаратные сопроцессоры с возможностью их пе-
Компоненты и технологии, № 9'2002
Таблица 17. Псевдокоманды GNU Compiler/Assembler
Псевдо- команда Эквивалентная команда Примечание
LRET JMP %o7 LRET не имеет операндов
RET JMP %i7 RET не имеет операндов
NOP MOV %g0, %g0 NOP не имеет операндов
IF0 %rA, IMM5 SKP1 %rA, IMM5
IF1 %rA, IMM5 SKP0 %rA, IMM5
IFRZ %rA SKPRNZ %rA
IFRNZ %rA SKPRZ%rA
IFS cc_c SKPS cc_nc
IFS cc_nc SKPS cc_c
IFS cc_z SKPS cc_nz
IFS cc_nz SKPS cc_z
IFS cc_mi SKPS cc_pl
IFS cc_pl SKPS cc_mi
IFS cc_ge SKPS cc_lt
IFS cc_lt SKPS cc_ge
IFS cc_le SKPS cc_gt
IFS cc_gt SKPS cc_le
IFS cc_v SKPS cc_nv
IFS cc_nv SKPS cc_v
IFS cc_ls SKPS cc_hi
IFS cc_hi SKPS cc_ls
Таблица 19. Пример организации регистрового файла
(Internal Register File)
Reg[120..127]
Req[112..119l
Reg[104..111]
Reg[96..103]
Reg[88..95]
Reg[80..87]
Reg[72..79]
Reg[64..71]
Reg[56.,63]
Reg[48..55]
Reg[40..47]
Reg[32..39]
Reg[24..31]
Reg[16..23]
Reg[8..15]
Reg[0..7]
CWP=6
(HI_LIMIT)
%i0..%i7
%L0..%L7
%o0..%o7
%g0..%g7
CWP=5
%io..%i7
%L0.. %L7
%o0..%o7
%g0..%g7
CWP=4
%i0..%i7
%L0..%L7
%o0..%o7
Restore
%g0..%g7
CWP=3
%i0..%i7
%L0,.%L7
%o0..%o7
%g0..%g7
CWP=2
%io..%i7
%L0..%L7
Save
%o0..%o7
%g0..%g7
CWP=1
(LOW_LIMIT)
%i0..%i7
%L0..%L7
%o0..%o7
%g0..%g7
This shows the smallest Nios register file, which is 128 registers. Larger files have more register windows.
Register Groups for CWP=0
%r24..%r31 aka %io..%i7
%r16..%r23 aka %LO..%L7
%r8..%r15 aka %oO..%o7
%r0..%r7 aka %gO..%g7
CWP=0 (Underflow or TRAP)
%i0..%i7
%L0..%L7
%o0..%o7
%g0..%g7
резагрузки при переключении задач значительно повышают скорость отклика при переключении с задачи на задачу и эффективность работы микропроцессора.
Для конфигурации Nios CPU фирмой Altera разработан Мастер конфигурации, к которому обращается SOPC Builder. Он обеспечивает графический интерфейс для определения конфигурации пяти заказных команд процессора Nios.
Мастер конфигурации Nios интегрирует заказные логические блоки с процессором Nios ALU при формировании Nios. Он также создает программные макрокоманды в C/C++ и ассемблере, обеспечивая программный доступ к этим заказным логическим блокам. Пользователь должен задать название (имя) макрокоманды. Если заказная команда комбинаторная, то число циклов синхрочастоты, необходимых для исполнения команды, установлено в 1. Если заказная команда требует несколько циклов, то пользователь должен указать требуемое число циклов синхрочастоты.
Код операции, тип и формат заказных команд приведены в таблице 13. Заказная команда USR0 берет содержимое двух регистров общего назначения Ra и Rb и выполняет над ними операцию, определяемую логическим блоком пользователя. Результат этой операции сохраняется в регистре Ra. Код операции для команды USR0 — RR.
Заказные команды USR1... USR4 берут содержимое двух регистров общего назначения Ra и %r и выполняют над ними операцию, определяемую логическим блоком пользователя. Результаты этих операций так же сохраняются в регистре Ra. Код операции для команд USR1... USR4 — Rw.
Более подробно заказные команды описаны в документации [10].
Таблица 14 содержит краткое описание синтаксиса команд для 32-битной версии, а таблица 15 — формат команд для 32-битной версии. Коды операций команд приведены в таблице 16.
Команды, описание которых приведено в таблице 17, генерируются компилятором и совместимы с ассемблером.
Операторы, описание которых приведено в таблице 18, могут быть использованы с константами и символическими адресами и совместимы с ассемблером и линкером.
В таблице 19 показан пример организации регистрового файла для 128 регистров. Показано движение окна при выполнении команд SAVE и RESTORE.
Литература
1. И. Каршенбойм, Н. Семенов. Микропрограммные автоматы на базе специализированных ИС // Chip News. 2000. № 7.
2. Altera™. Nios an188 Custom Instructions.
О
Таблица 18. Операторы NIOS
Операторы Описание Операция
%lo(x) Извлекает младшие 5 бит из слова х x&0x0000001f
%hi(x) Извлекает биты 15..5 из слова х (x >> 5) & 0x000007ff
%xlo(x) Извлекает биты 20..16 из слова х (x >> 16) & 0x0000001f
%xhi(x) Извлекает биты 31..21 из слова х (x >> 21) & 0x000007ff
x@h Адрес половины слова х x >> 1
