CN102270111B - 一种指令译码方法和指令译码装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种指令译码方法和指令集模拟装置。所述方法包括以下步骤：根据指令识别表对指令进行识别，其中指令识别表建立了指令保留位到指令操作数信息之间的哈希映射关系；如果识别成功，则得到存储在指令识别表中指令的操作数信息，否则退出；查询参数信息表对操作数信息进行解析，计算并获取指令中各个操作数。所述指令集模拟装置包括译码单元，所述译码单元包括：识别单元和解析单元。根据本发明的指令译码方法和指令集模拟装置，可以降低指令译码的时间代价和存储资源的开销，大幅提高指令集模拟装置的执行效率。

Description

一种指令译码方法和指令译码装置

技术领域

本发明涉及指令集模拟技术，特别涉及一种指令译码方法和指令集模拟装置。 

背景技术

指令集模拟装置（Instruction-Set Simulator,ISS）是处理器体系结构设计与软硬件协同验证中不可或缺的一部分，它通过在软件层次上对目标处理器的体系结构进行建模来模拟其执行行为。一方面，ISS通过对处理器模拟执行行为的信息进行统计和分析，辅助设计、完善以及评估体系结构模型，例如功耗模型、指令并行度模型等；另一方面，通过对处理器模拟执行中的数据流和控制流的观察和比对，实现软硬件的协同验证。而影响IIS执行效率的瓶颈往往在于其指令译码单元。 

现有技术中的指令译码单元一般采用如下两种方案进行设计： 

第一种方案：构造简单的指令查找结构，指令操作码和指令格式的定义被简单组织成线性表，指令的二进制码被发送译码时，译码模块依次遍历该线性表，匹配目标指令。这种模式下，时间代价为O(n)级，平均近似O((n+1)/2),空间浪费和冗余情况可以为0。尽管不少指令集模拟器在优化时，加入了一些优化方法，如把高概率执行的指令排列在集合前列，按经验时间代价大致在O(1/5n),但查找时间始终是在O（n）级别上。而操作数的获取上，现有技术IIS利用操作码中部分位，将全指令集中所具备相同的操作数提取模式的指令组织成线性表，在执行时，对这些线性表进行判断，选择相应的提取单元对操作数进行解析，其时间代价同样处于O（n）级别上。 

本方案的缺点是：简单的指令查找结构存在大量的判断执行操作，严重影响IIS的执行效率。 

第二种方案：构建全散列的哈希函数，当目标指令集中各类指令的有效保留位处于指令编码固定长度的相同位置上时，如ARM公司的ARM体系结构下的指令集，则是根据有效保留位的值建立全散列的哈希函数，以提高译码效率。 

本方案的缺点是：一方面，全散列哈希表占用系统资源很大，当目标体系结构指令集中有效保留位的位宽足够长时所带来的存储资源开销大。另一方面，适用面很窄，当目标体系结构指令集中有效保留位在指令集编码中分布不均匀时，该方案很难适用。 

不论是基于第一种方案还是第二种方案所设计的指令译码单元，IIS的可扩展性都很差，当目标体系结构发生变化时，IIS的重配置代价很大，不便于衍生到其他IIS使用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种高效可靠的指令译码方法，来解决IIS在指令译码时效率低下的问题，从而降低了指令的译码时间和存储资源的开销，大幅提高了IIS的实际执行效率。 

为实现上述目的，本发明提供了一种指令译码方法，其特征在于包括以下步骤： 

根据指令识别表对指令进行识别；判断识别是否成功，如果是，则得到存储在所述指令识别表中所述指令的操作数信息，否则退出；查询参数信息表对所述操作数信息进行解析，计算并获取指令中操作数。 

本发明还提供了一种指令集模拟装置，其特征在于所述装置包括译码单元，所述译码单元包括：识别单元，用于查询指令识别表对指令进行识别，并获取所述指令的操作数信息；解析单元，用于查询参数信息表对所 述操作数信息进行解析，计算并获取所述指令中的操作数。 

本发明指令译码方法和指令集模拟装置，能够解决IIS在指令译码阶段的指令译码效率低和存储资源的开销大的问题，大幅提高了IIS的执行效率。 

附图说明

图1A为本发明实施例指令译码的过程示意图； 

图1B为本发明实施例指令译码的方法流程图； 

图2为本发明实施例指令保留位选取示意图； 

图3为本发明实施例指令识别表的哈希结构示意图； 

图4为本发明实施例指令识别的方法流程图； 

图5为本发明实施例指令操作数信息解析流程图； 

图6为本发明实施例指令集模拟装置结构图； 

图7为本发明实施例解析单元结构图。 

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

图1A为本发明实施例指令译码的结构示意图。以下结合图1B指令译码的步骤101-103对本发明实施例进行说明，指令集模拟器的译码阶段根据查询指令识别表对从上级指令流水级中获取得指令进行识别，如图1B的步骤101；当指令识别成功，则得到存储在指令识别表中的指令操作数信息，否则退出，如图1B的步骤102；并将操作数信息传递给解析参数模块，解析参数模块则通过查询参数信息表对指令操作数信息进行解析，计算并获取该指令中各个操作数，如图1B的步骤103，获取后的操作数交由下一级指令流水级进行模拟执行。 

本发明采用的指令集定义表是在指令集模拟器的设计初期由用户自定 义的文件，该自定义文件中描述了目标处理器中支持的各条指令，每条指令包含了如下的信息：指令名称、指令编码格式、指令保留位信息、用于构造多级哈希表的部分保留位信息、指令操作数信息。 

在一个例子中，以32位的空操作(NOP)指令为例来描述指令集定义表的信息。 

指令集定义表中的NOP指令信息如下： 

(NOP，″PR％p NOP|P％b″，00000，00000 00000000000000000000000AcAbAa Ba，0xF) 

上述NOP指令信息中：“NOP”为指令的名称；″PR％p NOP|P％b″为汇编指令格式，该格式表示NOP指令有两个操作数，其中“％p”为第一操作数，“％b”为第二操作数；“00000 00000000000000000000000 AcAbAa Ba”为指令的编码格式，其中“00000 00000000000000000000000”为全部保留位，“00000”为选取的部分保留位，用于构造多级哈希表，“AcAbAa Ba”表示指令的操作数信息，其中大写字母“A”、“B”分别代表两个操作数“％p”和“％b”所占的位宽。 

指令集模拟器的译码阶段所使用到的指令识别表和参数信息表都可以从指令集定义表中衍生而来。 

以上针对指令集定义表进行了描述，接下来针对指令识别表和参数信息表的构建，以及查询方式进行详细描述。 

指令识别表是一个多级哈希表，该多级哈希表的各级索引号在数值上对应于指令全部保留位的一部分。如图2所示，从指令编码格式中的指令保留位(例如，Valid1、Valid2……Validn)中选取部分位，根据所选的部分有效位将指令集合划分为P(P1～Pn)个子集，形成二级哈希表。根据子集P1～Pn各指令元素的剩余保留位的信息，从中再次选取部分位将P1～Pn中的每个子集再划分为多个子集，形成三级哈希表，依次类推可以构成如图3所示的多级哈希表。在构成三级哈希表或更多级数的哈希表来减少冗 余空间代价并在一定的程度上会提高执行效率，但随之增加的空间代价也较大。优先地，二级的哈希表就可以满足实际的需求。 

在一个例子中，指令编码格式中的指令保留位信息为“00000 00000000000000000000000”，从中选取部分位保留位“00000”，根据所选取的部分保留位的有效数值将指令集合划分为多个子集，形成二级哈希表。 

在另一个例子中，以NOP指令为例构建一个二级哈希表： 

BEG(0，1) 

ITEM(0，2，NOP，00000，0x00000000，0xFFFFFFF0，RES_get_param_p+RES_get_param_b，0) 

END(0) 

其中BEG和END用于构造指令集合的第一级哈希表，BEG(0，1)中的“0”代表对应子集的索引号，“1”代表对应子集中元素的个数。BEG和END之间可包含多项ITEM信息，ITEM信息用于存储指令元素信息，即第二级哈希表。 

上述ITEM表项信息中：第一个数字“0”代表指令保留位中的部分有效位的数值；“2”代表该指令所具备的操作数个数；“NOP”代表指令的名称；“00000”代表所截取的指令保留位的部分有效位；“RES_get_param_p+RES_get_param_b”代表该指令操作数提取模式集合；最后一个数字“0”代表在该子集中的索引号。 

以上针对指令识别表的构建进行了描述，下以针对如何通过指令识别表来识别指令进行描述。 

图4为本发明实施例指令识别的方法流程图。在指令集模拟器的译码阶段，对从上级指令流水线中获取的指令进行识别，指令识别的过程包括步骤401-404： 

在步骤401，获取子集索引。 

具体地，通过移位操作从指令的二进制编码中获取全部保留位，从全部保留位中获取多级哈希表各子集对应的部分保留位，根据这些部分保留位计算得到多级哈希表的各级索引号。 

在步骤402，遍历子集。 

具体地，根据各级索引号来查询指令识别表，从而识别指令对应于指令识别表中的表项，即存储的操作数信息等。 

在步骤403，比较剩余保留位。 

具体地，将该指令二进制编码中剩余未用于划分哈希表的剩余保留位的值和指令识别表中指令所处子集的ITEM表项中存储的保留位的数值进行比较，如果比较相同，则执行步骤404。 

在步骤404，获取指令操作数信息。 

具体地，指令集模拟器从ITEM表项中获取该指令在指令识别表中的操作数信息，操作数信息包括指令的操作数个数和指令的提取模式在参数信息表中对应子集具体元素的索引号。 

在一个例子中，指令识别表中NOP指令的操作数信息包括操作数的个数为2，操作数提取模式集合为“RES_get_param_p+RES_get_param_b”。其中NOP指令操作数提取模式集合分别代表了NOP指令中第一操作数和第二操作数的提取模式，操作数的提取模式对应于参数信息表中对应子集具体元素的索引号，例如第一操作数提取模式“RES_get_param_p”对应参数信息表的第1号子集的第1号元素。 

以上描述了根据指令表对指令进行识别，并获取了指令在指令识别表中的操作数信息。在对指令操作数信息进行解析前，先来描述一下参数信息表的构建。 

操作数作为执行参数，符合数字逻辑原理，同样可以采用哈希表结构来组织参数信息表，提高操作数提取效率，优选地，将参数信息表组织成一个二级哈希表。参数信息表可以根据指令集中所有指令的操作数在其汇 编语义逻辑上空间位置的序号，将所有指令中所有指令的操作数提取模式的集合划分为多个子集。例如，Max为全指令集中各指令所需最多操作数的个数，而全指令集中各条指令中所有操作数提取模式的集合为Format。根据汇编语义逻辑利用指令中各个操作数在指令格式上的位置索引号，将Format集合划分为Max个子集，每个子集代表从0～(Max-1)位置上所有指令操作数提取模式的集合。 

在一个实施例中，32位DSP芯片SuperV-DSP中各指令最多操作数的个数为6个，因此需要构造6个子集，各子集用于存放各个位置上操作数的提取模式，例如，6个子集中的1号子集用于存放指令中第一操作数的提取模式。 

在一个例子中，参数信息表如下所示： 

BEG(0，1) 

    ITEM(1，1，param_p) 

END(1) 

上述参数信息表中，BEG和END用于构造第一级哈希表，两者之间可包含多项ITEM，ITEM信息用于存储元素信息，即第二级哈希表。BEG(0，1)中的“0”代表哈希表子集索引号，即汇编指令中的第1号操作数；“1”代表子集中元素的个数。 

上述ITEM表项(1，1，param_p)信息中，第一个数字“1”代表子集索引号；第二个“1”代表子集中元素索引号；“param_p”代表函数指针。 

图5为本发明实施例指令操作数信息解析流程图。以下根据查询参数信息表对指令操作数信息进行解析，解析的步骤包括步骤501-503： 

在步骤501，查询参数信息表。 

具体地，指令集模拟器根据指令操作数的在汇编语义逻辑上的空间位置序号，依次选择各操作数在参数信息表中对应的子集，再根据指令操作数的提取模式获取对应子集中的索引号。 

在一个例子中，NOP指令的汇编格式为“PR％p NOP|P％b”，NOP指令包括两个操作数，第一操作数为“％p”，该操作数对应参数信息表中的1号子集；该操作数提取模式对应参数信息表的1号子集的1号元素。 

在步骤502，获取函数指针。 

在一个例子中，根据NOP指令第一操作数“％p”对应的子集索引号和第一操作数提取模式对应的子集具体元素索引号，查询参数信息表获得表项ITEM(1，1，param_p)信息，通过该表项可以获取该指令第一操作数的函数指针“param_p”。 

在步骤503，根据获取用于计算所述操作数的函数指针，并计算提取操作数的值。 

图6为本发明实施例指令集模拟装置结构图。如图所示，指令集模拟装置600包括取指单元610、译码单元620和执行单元630。 

取指单元610用于获取指令流水线中的指令序列；译码单元620用于对取指单元610获取指令流水线中的指令进行译码；执行单元630用于模拟执行由译码单元620生成的控制信号。 

译码单元620包括识别单元621、解析单元622，其中识别单元621用于查询指令识别表对指令进行识别，并获取操作数信息，其中指令识别表是利用指令的多个保留位进行哈希运算得到的哈希表，它建立了指令保留位与指令操作数信息之间的哈希映射关系；解析单元622用于查询参数信息表对操作数信息进行解析，计算并获取指令中各个操作数，其中参数信息表是一个二级哈希表。参数信息表可以根据指令集中所有指令的操作数在其汇编语义逻辑上空间位置的序号，将所有指令中所有指令的操作数提取模式的集合划分为多个子集。 

如图7所示，解析单元622包括选择模块710、获取模块720和计算模块730，其中选择模块按照指令中各操作数在汇编语义逻辑上的空间位置序号，依次选择各操作数在参数信息表中对应的子集；获取模块根据指令 操作数提取模式获取对应子集中的索引号；计算模块根据对应子集的索引号获取用于计算操作数的函数指针，并计算获得操作数的值。 

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。 

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (11)

1.一种指令译码方法，其特征在于，所述方法包括：

根据指令识别表对指令进行识别；

判断识别是否成功，如果是，则得到存储在所述指令识别表中所述指令的操作数信息，否则退出；

查询参数信息表对所述操作数信息进行解析，计算并获取所述指令中操作数，所述参数信息表采用哈希表结构来组织；

所述指令识别表是一个多级哈希表,所述多级哈希表的各级索引号在数值上对应于全部保留位的一部分，所述全部保留位是指令编码中用于构造哈希表的所有保留位，所述多级哈希表是从指令编码的全部保留位中选取部分保留位，根据所选部分保留位的有效数值将指令集合划分为多个子集，根据所述多个子集中各指令元素的剩余保留位的信息，从中选取部分保留位再次将每个子集划分为多个子集。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据指令识别表对指令进行识别的步骤包括：

从所述指令中获取所述全部保留位;

从所述全部保留位中，获取所述多级哈希表各级对应的部分保留位，根据所述部分保留位计算得到所述多级哈希表的各级索引号；

根据所述各级索引号来查询所述指令识别表，从而获得所述指令对应于所述指令识别表中的表项。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述操作数信息包括指令操作数个数和各指令操作数提取模式的集合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述参数信息表是根据指令集中所有指令的操作数在其汇编语义逻辑上空间位置的序号，将所述所有指令中所有操作数提取模式的集合划分为多个子集。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述查询参数信息表对所述操作数信息进行解析，计算并获取所述指令中操作数步骤包括：

按照所述指令中操作数在其汇编语义逻辑上的空间位置序号，选择所述操作数在所述参数信息表中对应的子集；

根据所述指令操作数提取模式获取所述对应子集中的索引号；

根据所述索引号获取用于计算所述操作数的函数指针，并计算获得所述操作数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述参数信息表是一个二级哈希表。

7.一种指令译码装置，其特征在于，包括：

识别单元，用于查询指令识别表来对指令进行识别，并获取所述指令的操作数信息，所述指令识别表是一个多级哈希表,所述多级哈希表的各级索引号在数值上对应于全部保留位的一部分，所述全部保留位为指令编码中用于构造哈希表的所有保留位，所述多级哈希表是从指令编码的全部保留位中选取部分保留位，根据所选的部分保留位的有效数值将指令集合划分为多个子集，根据多个子集中各指令元素的剩余保留位的信息，从中选取部分保留位再次将每个子集划分为多个子集；

判断单元，用于判断所述识别单元的识别结果是否成功，如果是，则得到存储在所述指令识别表中所述指令的操作数信息，否则退出；

解析单元，用于查询参数信息表对所述指令的操作数信息进行解析，计算并获取所述指令中的操作数，所述参数信息表采用哈希表结构来组织。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述指令识别表建立了指令保留位与所述指令操作数信息之间的哈希映射关系。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述参数信息表是根据指令集中所有指令的操作数在其汇编语义逻辑上空间位置的序号，将所述所有指令中所有操作数提取模式的集合划分为多个子集。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述解析单元包括：

按照指令中操作数在其汇编语义逻辑上的空间位置序号，选择所述操作数在所述参数信息表中的对应子集的选择模块；

根据指令操作数提取模式获取所述对应子集中的索引号的获取模块；

根据所述索引号获取用于计算所述操作数的函数指针，并计算获得所述操作数的计算模块。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述参数信息表是一个二级哈希表。

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