一种四级流水线堆栈处理器制造技术

本发明专利技术提供一种四级流水线堆栈处理器，该流水线处理器主要包括取指级

【技术实现步骤摘要】
一种四级流水线堆栈处理器


[0001]本专利技术涉及嵌入式微处理器领域，特别是涉及一种四级流水线堆栈处理器
。

技术介绍

[0002]随着计算机应用领域的不断拓展和发展，对计算机处理器的性能
、
可编程性和灵活性等要求也不断提高
。
然而，传统的嵌入式微处理器通常采用基于寄存器的设计，虽然具有高性能和乱序性的优点，但由于指令集复杂度较高，导致处理器的设计和制造难度较大
。
相比之下，
J1
指令集由于其简洁
、
清晰
、
易于理解和实现的特点，目前被许多采用堆栈处理器所使用
。
[0003]然而，虽然堆栈处理器结构紧凑
、
耦合度高，但不支持多级流水线处理，这导致了处理器的工作主频受到了限制
。
流水线技术作为一种能够提高处理器性能的重要手段，目前采用流水线技术的堆栈处理器，有两级流水线结构和三级流水线结构的堆栈处理器，但是，这些堆栈处理器都采用了哈佛结构，使得资源利用率不够高，而较浅的流水线导致了主频提升不够明显
。
[0004]因此，亟需一种主频和资源利用率均得到改善的处理器
。

技术实现思路

[0005]针对现有堆栈处理器主频与资源利用率较低的问题，本专利技术提供了一种四级流水线堆栈处理器，该处理器结合堆栈处理器的特点，采用了
J1
指令集与多级流水线结构，有利于提高资源利用率和处理器主频
。/>[0006]本专利技术通过以下方案来实现：
[0007]一种四级流水线堆栈处理器，包括：
[0008]存储器，包括两个端口，一个端口用于指令存储，另一个端口用于数据存储；
[0009]取指级模块，用于从所述存储器的指令存储端口取出相应的指令；
[0010]译码级模块，用于根据所述取指级模块取出的相应指令对应的指令码提取出相应的立即数
、
操作数与功能码；
[0011]执行级模块，用于根据所述译码级模块提取的立即数
、
操作数与功能码执行相应的算术与逻辑运算，访问所述存储器的数据存储端口，判断堆栈写使能，获取堆栈预写值，计算堆栈指针值，同时对能产生跳转行为的指令进行判断，符合要求则进行流水线冲刷；
[0012]回写级模块，用于接收执行
/
回写流水线寄存器传递的参数，判断数据堆栈与返回堆栈的写使能，进行读写操作，同时更新栈顶元素与堆栈指针的值；
[0013]流水线寄存器，用于暂存传递的参数，以实现指令的并行；
[0014]在所述取指级模块
、
译码级模块
、
执行级模块
、
回写级模块之间均有对应的流水线寄存器连接，分别为取指
/
译码流水线寄存器
、
译码
/
执行流水线寄存器
、
执行
/
回写流水线寄存器
。
[0015]进一步地，如上所述的四级流水线堆栈处理器，所述取指级模块包括程序计数器；
[0016]所述程序计数器用于根据跳转标志信号以及上一时钟周期程序计数器的值给出当前时钟周期的指令地址；所述取指级模块用于根据所述程序计数器的值从所述存储器的指令存储端口取出相应的指令；
[0017]所述程序计数器与所述存储器连接，所述存储器与所述取指
/
译码流水线寄存器连接
。
[0018]进一步地，如上所述的四级流水线堆栈处理器，所述译码级模块包括：
[0019]多路选择器
,
用于接收所述取指
/
译码流水线寄存器传入的指令，并根据该指令对应的指令码类型进行判断，输出唯一的选择值；
[0020]指令信息提取寄存器，用于接收所述取指
/
译码流水线寄存器传入的指令，提取出指令的立即数
、
操作数与功能码，然后寄存起来等待下一时钟周期传入执行级模块；
[0021]所述取指
/
译码流水线寄存器的输出分别与所述多路选择器
、
指令信息提取寄存器的输入连接，所述多路选择器
、
指令信息提取寄存器的输出均与所述译码
/
执行流水线寄存器的输入连接
。
[0022]进一步地，如上所述的四级流水线堆栈处理器，所述执行级模块包括：
[0023]算术逻辑单元，用于接收所述译码
/
执行流水线寄存器的选择值，并根据不同的选择值执行不同的算术逻辑运算；所述算术逻辑运算包括：加
、
减
、
乘
、
除
、
与
、
或
、
非；
[0024]堆栈操作单元，用于根据所述译码
/
执行流水线寄存器传递的选择值，判断指令的类型并执行相应的堆栈操作；所述相应的堆栈操作包括：判断数据堆栈
、
返回堆栈的写使能信号
、
获得堆栈预写值
、
计算堆栈指针的数值；
[0025]控制单元，用于根据跳转类指令判断是否发生跳转，若跳转类指令选择值有效且满足跳转条件，则产生跳转标志信号与跳转地址，等到下个时钟周期来临时，将跳转标志信号传入所述取指
/
译码流水线寄存器
、
译码
/
执行流水线寄存器与程序计数器中，同时跳转地址也传入到程序计数器中；接收到跳转信号的所述取指
/
译码流水线寄存器
、
译码
/
执行流水线寄存器，执行空操作，以实现流水线冲刷；
[0026]访存电路，用于判断所述存储器的数据存储端口写使能信号是否置高；如果写使能信号
ram_wen
置高，则将数据堆栈次栈顶元素
N
写入到地址为数据堆栈栈顶元素
T
的数据存储端口中；如果写使能信号
ram_wen
置低，则不执行任何操作；
[0027]所述译码
/
执行流水线寄存器的输出分别与所述算术逻辑单元
、
堆栈操作单元
、
控制单元
、
访存电路的输入连接；
[0028]所述算术逻辑单元
、
堆栈操作单元的输出均与所述执行
/
回写流水线寄存器的输入连接；
[0029]所述算术逻辑单元的输出还与所述存储器的输入连接
。
[0030]进一步地，如上所述的四级流水线堆栈处理器，所述回写级模块包括：数据堆栈
、
返回堆栈；
[0031]所述数据堆栈用于临时存储变量和子程序参数传递；
[0032]所述返回堆栈用于保存子程序返回地址；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种四级流水线堆栈处理器，其特征在于，包括：存储器
(102)
，包括两个端口，一个端口用于指令存储，另一个端口用于数据存储；取指级模块，用于从所述存储器
(102)
的指令存储端口取出相应的指令；译码级模块，用于根据所述取指级模块取出的相应指令对应的指令码提取出相应的立即数
、
操作数与功能码；执行级模块，用于根据所述译码级模块提取的立即数
、
操作数与功能码执行相应的算术与逻辑运算，访问所述存储器
(102)
的数据存储端口，判断堆栈写使能，获取堆栈预写值，计算堆栈指针值，同时对能产生跳转行为的指令进行判断，符合要求则进行流水线冲刷；回写级模块，用于接收执行
/
回写流水线寄存器
(111)
传递的参数，判断数据堆栈与返回堆栈的写使能，进行读写操作，同时更新栈顶元素与堆栈指针的值；流水线寄存器，用于暂存传递的参数，以实现指令的并行；在所述取指级模块
、
译码级模块
、
执行级模块
、
回写级模块之间均有对应的流水线寄存器连接，分别为取指
/
译码流水线寄存器
(103)、
译码
/
执行流水线寄存器
(106)、
执行
/
回写流水线寄存器
(111)。2.
根据权利要求1所述的四级流水线堆栈处理器，其特征在于，所述取指级模块包括程序计数器
(101)
；所述程序计数器
(101)
用于根据跳转标志信号以及上一时钟周期程序计数器的值给出当前时钟周期的指令地址；所述取指级模块用于根据所述程序计数器
(101)
的值从所述存储器
(102)
的指令存储端口取出相应的指令；所述程序计数器
(101)
与所述存储器
(102)
连接，所述存储器
(102)
与所述取指
/
译码流水线寄存器
(103)
连接
。3.
根据权利要求1所述的四级流水线堆栈处理器，其特征在于，所述译码级模块包括：多路选择器
(104),
用于接收所述取指
/
译码流水线寄存器
(103)
传入的指令，并根据该指令对应的指令码类型进行判断，输出唯一的选择值；指令信息提取寄存器
(105)
，用于接收所述取指
/
译码流水线寄存器
(103)
传入的指令，提取出指令的立即数
、
操作数与功能码，然后寄存起来等待下一时钟周期传入执行级模块；所述取指
/
译码流水线寄存器
(103)
的输出分别与所述多路选择器
(104)、
指令信息提取寄存器
(105)
的输入连接，所述多路选择器
(104)、
指令信息提取寄存器
(105)
的输出均与所述译码
/
执行流水线寄存器
(106)
的输入连接
。4.
根据权利要求2所述的四级流水线堆栈处理器，其特征在于，所述执行级模块包括：算术逻辑单元
(107)
，用于接收所述译码
/
执行流水线寄存器
(106)
的选择值，并根据不同的选择值执行不同的算术逻辑运算；所述算术逻辑运算包括：加
、
减
、
乘
、
除
、
与
、
或
、
非；堆栈操作单元
(108)
，用于根据所述译码
/
执行流水线寄存器
(106)
传递的选择值，判断指令的类型并执行相应的堆栈操作；所述相应的堆栈操作包括判断数据堆栈和返回堆栈的写使能信号
、
获得堆栈预写值
、
计算堆栈指针的数值；控制单元
(109)
，用于根据跳转类指令判断是否发生跳转，若跳转类指令选择值有效且满足跳转条件，则产生跳转标志信号与跳转地址，等到下个时钟周期来临时，将跳转标志信号传入所述取指
/
译码流水线寄存器
(103)、
译码
/
执行流水线寄存器
(106)
与程序计数器
(101)
中，同时跳转地址也传入到程序计数器
(101)
中；接收到跳转信号的所述取指
/
译码流
水线寄存器
(103)、
译码
/
执行流水线寄存器
(106)
，执行空操作，以实现流水线冲刷；访存电路
(110)
，用于判断所述存储器
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永录，朱恒宇，刘宏杰，刘自昂，代红兵，汤智伟，杨维稀，刘欢庆，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：