[发明专利]一种双宽度指令系统的性能无损切换方法及其应用系统

说明书

技术领域

本发明属于双宽度指令系统设计领域，特别涉及一种双宽度指令系统的性 能无损切换方法及其应用系统。

背景技术

为了提高代码密度，人们提出了双宽度指令系统的概念，并成功应用于现 代处理器设计中。具有双宽度指令系统的处理器，如ARM和MIPS，一般同 时支持两套不同长度的定长指令系统，一个普通长度(一般为32位)，一个 较窄(一般为16位)。尽管较窄的指令系统可以减小代码大小，从而带来存 储体系性能和能耗等方面的好处，但是由于它可以提供的编码空间更有限，因 而限制了操作码、寄存器操作数及立即数域的长度，从而在很多情况下，可以 用一条普通长度指令表达的操作，需要用两条甚至更多条较窄的指令表示，因 而引起了性能方面的额外开销。

在这种情况下，提出了混合编码的思想，以充分利用两套指令系统的特点。 双宽度指令系统及混合编码技术已经成功应用于现代处理器设计中。目前双宽 度指令系统的状态切换机制有三大类：

1)使用跳转切换指令进行状态切换。

请参考：L.Goudge，S.Segars.Thumb：Reducing the Cost of 32-bit RISC Performance in Portable and Consumer Applications.Proceedings of the 41st IEEE International Computer Conference，pp.176，1996，该文献公开了一种使用 跳转切换指令进行状态切换的机制，这种方法被采用在MIPS与MIPS16e、Arm 和Thumb中。例如在ARM处理器中，处理器根据CPSR中的T位来确定指 令类型：当T＝0时为ARM指令；当T＝1时为Thumb指令。处理器复位后， ARM启动并执行ARM指令；通过执行一条交换转移指令BX可以转换到 Thumb指令；在Thumb状态时，执行Thumb BX指令则可以转换到ARM状 态。进入异常中断总是进入ARM状态，且异常中断总是返回到异常发生前的 状态。

效果：在流水线计算机中，跳转指令往往会带来较大的开销，因此带来较 大的使用跳转指令进行状态切换的开销。因此该方法比较适用于粗粒度的状态 切换，如函数级别的状态切换。但粗粒度混合编码的缺点在于，对于一个函数， 它只能全部编译为16位，或全部编译为32位。但一个函数内部，从使用的指 令功能上看，存在适合编译为16位或不适合编译为16位的区域；从代码执行 频率上看，也通常存在冷、热代码的区别。粗粒度混合编码限制了编译工具链 进一步根据不同性质代码选择编码方案的程度。

2)使用特定的状态切换指令进行状态切换。

请参考：S.Lee，J.Lee，S.Min，J.Hiser and J.W.Davidson，Code Generation for a Dual Instruction Set Processor based on Selective Code Transformation.Proceedings of the 7th International Workshop on Software and Compilers for Embedded Systems，pp.33-48，Sep.2003，该文献中公开了一种使 用特定的状态切换指令进行状态切换的机制。这类方法添加额外的显式状态切 换指令，该指令的作用是将CPU状态在32位和16位之间切换。尽管这条指 令只需要1个额外的周期，与类似BX的状态切换指令相比大大减少了对性能 的损失，但由于细粒度混合编码中，状态切换频繁发生，还是会带来较大的性 能开销。

3)将两种宽度的指令系统在同一编码空间中编码。