采用双指令集的32位嵌入式微处理器制造技术

本发明专利技术为一种采用新体系结构的３２位嵌入式微处理器，能够处理本地ＲＩＳＣ指令和Ｊａｖａ卡虚拟机两套指令集。它由取指单元、指令ｃａｃｈｅ、指令译码电路、指令折叠电路、通用寄存器组、数据运算单元、内存单元、前推电路、异常处理单元等部分构成。其中，指令ｃａｃｈｅ和指令折叠电路仅在执行Ｊａｖａ卡虚拟机指令时有效，与此同时，通用寄存器组映射为堆栈ｃａｃｈｅ。本发明专利技术中的微处理器可以同时支持两套指令集，并且之间能够方便的进行无缝切换，而电路面积与传统不支持Ｊａｖａ卡虚拟机的处理器相比，增加不到２０％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种32位嵌入式微处理器，它支持本地RISC指令和Java卡虚拟机两套指令集。信息家电飞速发展，同时，家庭网络也迅速崛起。Java处理芯片将在这两方面扮演重要角色。一方面Sun公司正致力于与消费电子设备制造商携手合作，推出基于Java技术的新型信息家电产品；另一方面，由于Java语言的跨平台和网络特性，绝大多数信息家电厂商正努力增强对Java的支持。直接将Java技术利用硬件实现，作为信息家电设备的核心将是大势所趋。Java智能卡技术是Java技术在智能卡领域的扩展，给传统的智能卡技术和应用领域带来变革，提高了发卡商或服务提供商选择智能卡的自主性，能动态的调整卡的应用程序，在具有灵活性的同时也保证了安全性。Java智能卡产品已经在全世界范围得到了广泛的应用，领域包括无线通信、医疗保健、金融银行、军队、身份认证、电子商务等方面。一般的32位嵌入式微处理器只支持一套指令集，即本地RISC指令系统；而Java处理器则只支持Java虚拟机JVM(Java Card Virtual Machine)或Java卡虚拟机JCVM(Java Card VirtualMachine)，不支持传统的RISC指令。如果要在嵌入式微处理器的基础上增加Java处理功能，需要额外利用软件编写的解释器或编译器。传统的32位嵌入式微处理器设计技术比较成熟，但对Java功能的支持较弱。当前的Java实现方案中，主要有三种方法解释执行(Interpreter)，及时编译JIT(Just In Time)和硬件直接执行，即Java处理器(Java in Silicon)。解释执行的方式执行速度慢；及时编译JIT与解释执行相比，虽然能够提高处理速度，但是占用的内存资源会增加两到三个数量级，对于内存资源有严格限制的嵌入式应用来说，也是不现实的；硬件直接执行有三种常用的方法(1)纯粹的Java处理器完全为执行Java bytecode而设计。如Sun公司提供的picoJava；(2)Java协处理器主处理器执行其本地RISC指令，当遇到待执行的指令是java bytecode时，激活协处理器，同时移交总线控制权，当Java协处理器执行结束后，重新将控制权交还给主处理器。如Nazomi公司提供的JSTAR；(3)通用处理器带Java扩展功能，如ARM公司提供的Jazelle处理器。本专利技术提出的32位嵌入式微处理，由指令存储器1、取指单元2、指令cache3、指令译码电路4、指令折叠电路5、通用寄存器组6、数据运算单元7、内存单元8、前推电路9、异常处理单元10、程序计数器PC11、状态寄存器PSR12、指令陷阱13、多路选择器14经电路连接构成，其中，指令存储器1、取指单元2、指令译码电路4、通用寄存器组6、数据运算单元7依次电路连接，前推电路9和异常处理单元11分别与取指单元2、指令译码电路4、数据运算单元7连接，状态寄存器12与数据运算单元7、内存单元8、寄存器组6连接，组成支持本地RISC指令集的电路系统，见图8所示；指令存储器1、指令cache、指令折叠电路5、指令译码电路4、堆栈cache6、数据运算单元7、多路选择器14、内存单元8依次电路连接，指令陷阱单元13与指令折叠电路5和指令译码电路4连接，组成支持Java卡虚拟机指令集的电路系统，见图9所示；并通过设置跳转指令，实现本地RISC状态和Java状态的无缝切换。本专利技术中，微处理器采用哈佛结构，五/六级流水线切换，由指令存储器1、指令译码电路4、通用寄存器组6、数据运算单元7、内存单元8和写回电路构成数据通路，指令cache3、指令折叠电路5、前推电路9和指令陷阱13用于提高执行效率，分离总线和分离的算术逻辑运算单元降低功耗。本专利技术中，在RISC状态下，有一条特殊的“跳转到Java”指令，当该指令执行条件满足时，处理器切换到Java状态，同时对RISC状态下通用寄存器组、程序计数器以及当前程序状态寄存器进行备份；在Java状态下，如果有异常或中断，处理器切换回RISC状态，同时恢复备份的寄存器和计数器。本专利技术中，整个微处理器在RISC状态下，采用五级流水线结构；在Java状态下，采用特殊的六级流水线结构。具体来说，执行本地指令时，为五级流水线结构，依次是取指令(IF)、译码(ID)、执行(EXE)、访存(DM)、写回(WB)五部分；在执行Java卡虚拟机指令集时，自动切换为六级流水线结构，依次是取指令(IF)、折叠译码(ID)、取操作数(OF)、执行(EXE)、访存(DM)、写回(WB)六部分。这是由于原有的五级流水线的指令译码(ID)阶段在Java状态下承担了过多的任务，如指令折叠、指令cache管理、堆栈cache管理、取操作数，为了避免该级成为处理器设计的瓶颈，限制处理器性能的提高，本专利技术中将它划分成独立的两级折叠译码(ID)和取操作数(OF)。流水线之间的连接通过各级锁存器实现。本专利技术中，根据程序计数器PC的值取指令。在RISC状态下，所有指令都为定长的32位字，而在Java状态下，为非定长指令，指令长度从一个字节(8位)到数个字节不等。因此，本专利技术中，RISC状态下用一个32位的指令控制器控制指令的正常读取；Java状态下用一个12字节(96位)的指令cache控制指令流动。指令控制器和指令cache均位于流水线取指令(IF)和译码(ID)两个阶段之间。本专利技术中，寄存器组6采用32×32的寄存器组织形式，在执行本地指令时，为通用寄存器组；在执行Java卡虚拟机指令集时，映射为操作数堆栈cache。这是由于，微处理器在RISC状态下是面向寄存器组的组织形式，指令的绝大部分操作数处于寄存器中。32个32位的寄存器构成一个大的通用寄存器组；在Java状态下，则是面向堆栈的组织形式，指令的操作数大部分都隐藏在堆栈中。而传统的Java堆栈建于处理器内存中，因此使取操作数和写回运算结果成为运行时的瓶颈。所以，本专利技术在处理器中内建堆栈的cache来提高运行速度。考虑到Java状态下，原RISC状态下的32个通用寄存器组完全空闲，因此将这32个寄存器连成环形作为堆栈cache，即通用寄存器组和堆栈cache是物理上完全相同的单元，但在处理器的不同模式下有不同的功能。原来处理器RISC状态下5级流水中的DM阶段进行内存访问，Java状态下则可以在该阶段空闲(无流水线冲突)时候对新建的堆栈cache进行溢出(spill)和填充(fill)操作。由于堆栈cache由原来的通用寄存器组实现，可以进行三读两写操作，即在Java状态下取两个操作数时还剩余一读一写口以便进行填充和溢出。而且使用堆栈cache后也能进一步实现指令折叠以提高运行速度。操作数从通用寄存器组/堆栈cache取出后进行流水线冲突判断。本专利技术中，执行Java卡虚拟机指令集时，采用了指令折叠技术，将多条指令合并折叠为一条指令执行。使用指令折叠技术可加速Java指令的执行效率。指令折叠模块位于指令译码单元前，用于对Java bytecode长度截取和折叠操作，折叠后的指令送译码模块译码。本专利技术采用了前推(forwarding)技术来解决流水冲突情况，前推电路与数据通路相连，构成数据的快速通道，将操作结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种３２位嵌入式微处理器，由指令存储器（１）、取指单元（２）、指令ｃａｃｈｅ（３）、指令译码电路（４）、指令折叠电路（５）、通用寄存器组（６）、数据运算单元（７）、内存单元（８）、前推电路（９）、异常处理单元（１０）、程序计数器ＰＣ（１１）、状态寄存器ＰＳＲ（１２）、指令陷阱（１３）、多路选择器（１４）经电路连接构成，其特征在于指令存储器（１）、取指单元（２）、指令译码电路（４）、通用寄存器组（６）、数据运算单元（７）依次电路连接，前推电路（９）和异常处理单元（１１）分别与取指单元（２）、指令译码电路（４）、数据运算单元（７）连接，状态寄存器（１２）与数据运算单元（７）、内存单元（８）、寄存器组（６）连接，组成支持本地ＲＩＳＣ指令集的电路系统；指令存储器（１）、指令ｃａｃｈｅ、指令折叠电路（５）、指令译码电路（４）、堆栈ｃａｃｈｅ（６）、数据运算单元（７）、多路选择器（１４）、内存单元（８）依次电路连接，指令陷阱单元（１３）与指令折叠电路（５）和指令译码电路（４）连接，组成支持Ｊａｖａ卡虚拟机指令集的电路系统；并通过设置跳转指令，实现本地ＲＩＳＣ状态和Ｊａｖａ状态的无缝切换。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科，王文婷，忻凌，闵昊，周晓方，顾沧海，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]