CN113703832A - 一种立即数转移指令的执行方法、装置及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立即数转移指令的执行方法、装置及介质，本发明方法包括在指令译码后判断译码得到的指令是否为立即数传送类指令，若译码得到的指令为立即数传送类指令，则针对该立即数传送类指令进行指定的处理步骤以取代译码后的普通执行步骤，指定的处理步骤包括：提取该立即数传送类指令中的立即数，基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数，再消除该立即数传送类指令。本发明旨在通过微处理器过对立即数传送型指令的执行过程进行优化，以节省处理器资源、提高处理器的性能。

Description

一种立即数转移指令的执行方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及处理器微架构领域，具体涉及一种立即数转移指令的执行方法、装置及介质。
背景技术
乱序微处理器中的指令的执行流程一般要经过以下阶段：取指令、指令译码、寄存器重命名、指令分派、指令发射、指令执行、结果写回。指令从被取出开始到结果写回的整个生命周期都要占用相应的资源，如果能将指令尽快执行，那么就能够尽快将资源释放，给其他指令占用，这样就有可能提高处理器性能，缩短程序执行时间。
当前有些优化技术可以让指令尽快完成其功能，少占用资源。寄存器传送指令优化技术，并不实际执行该指令，而是通过将该指令的目的寄存器直接映射到源寄存器。这样在指令的寄存器重名阶段实际上就完成了该指令的功能执行。节省了从指令分派开始的流水线资源，并且依赖该寄存器传送指令的其他指令可以尽早执行，从而提高处理器性能。指令融合技术通过在指令译码后将多个指令融合为单个指令，便可以节省寄存器重命名之后的资源，从而提高处理器性能。立即数传送类指令的判断，指令的源操作数仅来自于指令操作码，整个指令的功能就是将指令编码中的立即数进行运算，然后将运算后的值写入到目的寄存器中。一般的实现方式就是在算术逻辑运算部件执行该指令的功能，并写到寄存器中。但是，针对立即数转移指令如何优化执行，则仍然是一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种立即数转移指令的执行方法、装置及介质，本发明旨在通过微处理器过对立即数传送型指令的执行过程进行优化，以节省处理器资源、提高处理器的性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种立即数转移指令的执行方法，包括：在指令译码后判断译码得到的指令是否为立即数传送类指令，所述立即数传送类指令是指指令的源操作数仅来自于指令的操作码，整个指令的功能就是将指令编码中的立即数进行运算，然后将值写入到目的寄存器中；若译码得到的指令为立即数传送类指令，则针对该立即数传送类指令进行指定的处理步骤以取代译码后的普通执行步骤，所述指定的处理步骤包括：提取该立即数传送类指令中的立即数，基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数，再消除该立即数传送类指令。
可选地，所述提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用展开方式进行存储，所述采用展开方式进行存储是指将存储指令对立即数进行运算后的数值进行存储。
可选地，所述提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用压缩方式进行存储。
可选地，所述采用压缩方式进行存储是指高位存放立即数的有效数据、低位存储立即数的左移量；或者所述采用压缩方式进行存储是指低位存放立即数的有效数据、高位存储立即数的左移量。
可选地，所述基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数包括：针对立即数传送类指令后的指令，如果该指令的源操作数为所述立即数传送类指令的目的寄存器，则将该指令的重命名映射表中表项的源操作数对应的寄存器直接修改为从所述立即数传送类指令提取得到的立即数，并将该指令的重命名映射表中表项的是否立即数字段置1，所述重命名映射表中表项的是否立即数字段默认为0。
可选地，所述重命名映射表中表项包括是否立即数字段、体系结构的寄存器号和物理寄存器号/立即数三个字段，其中是否立即数字段的位宽为一个比特。
可选地，所述消除该立即数传送类指令是指在寄存器重名阶段删除该立即数传送类指令，使得该立即数传送类指令不再执行译码后的普通执行步骤中寄存器重名阶段以后的步骤，所述译码后的普通执行步骤包括：指令分派、指令发射、指令执行以及结果写回。
可选地，所述立即数传送类指令包括RISC-V指令集中的LUI指令、RISC-V指令集中的LI指令、ARM指令集中的MOV立即数指令、Intel指令集中MOV立即数指令中的一种。
此外，本发明还提供一种立即数转移指令的执行装置，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述立即数转移指令的执行方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述立即数转移指令的执行方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、节省处理器资源。本发明可以提早完成立即数传送类指令的功能，并且不用分配物理寄存器，节省了处理器上的指令存储和执行资源。
2、可提高处理器性能。本发明可提早获取寄存器值，缩短了相关指令的执行延迟，提高处理器性能。
3、本发明方法使用灵活。由于本发明基于现有的通用乱序流水线，修改量小并且主要修改集中在寄存器重命名阶段，可以方便地在各种已有的处理器架构上使用。
附图说明
图1为本发明实施例一方法的基本流程图。
图2为RISC-V指令集中LUI指令的编码格式。
图3为本发明实施例一的立即数存储方式。
图4为本发明实施例一的重命名映射表的结构变化示意图，其中(a)为现有重命名映射表的表项结构示意图，(b)为本发明实施例一的重命名映射表的表项结构示意图。
图5为本发明实施例二的立即数存储方式。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例立即数转移指令的执行方法包括：在指令译码后判断译码得到的指令是否为立即数传送类指令；若译码得到的指令为立即数传送类指令，则针对该立即数传送类指令进行指定的处理步骤以取代译码后的普通执行步骤，指定的处理步骤包括：提取该立即数传送类指令中的立即数，基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数，再消除该立即数传送类指令。而在指令译码以及指令译码前的取指令阶段，立即数传送类指令与现有其他指令的取指令、指令译码本身完全相同。例如：取指令和普通处理器的设计一致，从程序计数器所指的地址处取出相应的地址；指令译码是指对取出的指令进行译码。指令译码过程通常包括译码出指令操作码，提取操作数(寄存器或者是立即数)等。
在指令译码后则可以根据判断译码得到的指令是否为立即数传送类指令的结果，选择是否采用本实施例立即数转移指令的执行方法。立即数传送类指令是指指令的源操作数仅来自于指令的操作码，整个指令的功能就是将指令编码中的立即数进行运算，然后将值写入到目的寄存器中(例如RISC-V指令集中的LUI指令、RISC-V指令集中的LI指令、ARM指令集中的MOV立即数指令、Intel指令集中MOV立即数指令等)。
下文将以RISC-V指令集中的LUI指令为例，对本实施例立即数转移指令的执行方法进行进一步的详细说明。如图2所示，RISC-V中的LUI指令将指令编码中[31:12]比特的立即数放到目的寄存器的[31:12]比特中。也就是说指令编码中的立即数是20比特的，但是经过指令运算之后生成了32bit的立即数。
参见图3，本实施例中提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用展开方式(非压缩存储方式)进行存储，采用展开方式进行存储是指将存储指令对立即数进行运算后的数值进行存储。例如图3所示，对于RISC-V中的LUI指令中的立即数，如果使用展开的方式存储，那么需要32比特位。本实施例中，在LUI指令后的某一条ADD指令进行寄存器重命名时，读取x30的压缩立即数，然后进行解压缩，之后该立即数带在流水线中，直至完成加法运算。该方案的优点是只需要一处解压缩的地方，缺点是在流水线中需要更多的存储空间存储解压后的立即数。
在完成立即数的提取即可得到了立即数运算的结果，那么就可以将该立即数存放在后续指令可以看到的结构中，直接从该结构中获取该立即数，从而避免中寄存器中中转。本实施例中，基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数包括：针对立即数传送类指令后的指令，如果该指令的源操作数为所述立即数传送类指令的目的寄存器，则将该指令的重命名映射表中表项的源操作数对应的寄存器直接修改为从所述立即数传送类指令提取得到的立即数，并将该指令的重命名映射表中表项的是否立即数字段置1，所述重命名映射表中表项的是否立即数字段默认为0。例如两条指令：LUI x30，#imm和ADD x28，x29，x30，第一条指令将立即数存放到x30中，下一条指令使用x30当源操作数。由于在前文已经获得了LUI的立即数结果，那么ADD指令就可以表示为ADD x28，x29，#imm。对第二条ADD指令来说需要在处理器执行流水线的某个阶段将x30改写为立即数#imm。
针对现有的处理器结果，最适合进行该操作的阶段就是寄存器重命名阶段。首先，寄存器重命名阶段中有记录每个寄存器被重命名到了哪个物理寄存器，需要将原指令中的源操作数改写成映射的物理寄存器号。另外该阶段位于流水线中较早的阶段，尽早处理立即数传递指令可以节省更多后面阶段的资源。本实施例方法要做的就是在寄存器重命名阶段，对LUI指令的重命名过程做一些改变。如图4中的(a)所示，重命名的过程就是将指令的源寄存器替换为重命名表中已经映射的物理寄存器号。从空闲的物理寄存器中选取一个，将指令的目的寄存器映射到该物理寄存器上。假设空闲物理寄存器为p35，那么在通常的寄存器重命名中LUI x30，#imm，将会把x30映射到p35。而本发明要做的是在重命名表中将x30直接映射到立即数#imm。改写后的寄存器重名表如图4中的(b)所示，在寄存器重命名表的每一项都增加了一个比特，表示该重命名表项指向的是物理寄存器还是立即数。此时LUI指令的目的寄存器x30就指向了对应的立即数。根据相应指令集中立即数和物理寄存器的宽度，映射的物理寄存器或立即数存储区域的空间可能需要增加一些比特，以容纳更宽的立即数。在这种情况下，对于LUI的下一条指令ADD x28，x29，x30，假设x28被重命名到了物理寄存器p34，x29寄存器被重名p33，那么该指令经过重命名阶段之后将变为add p34，p33，#imm。
如图4所示，本实施例中重命名映射表中表项包括是否立即数字段、体系结构的寄存器号和物理寄存器号/立即数三个字段，其中是否立即数字段的位宽为一个比特。
本实施例中，消除该立即数传送类指令是指在寄存器重名阶段删除该立即数传送类指令，使得该立即数传送类指令不再执行译码后的普通执行步骤中寄存器重名阶段以后的步骤。改写重命名表之后，该指令结果已经保存在了重命名映射表中，意味着该指令的生命周期已经结束，那么在可以从寄存器重名阶段消除该指令。后续的指令分派、指令发射、指令执行、结果写回等阶段都节省了该指令的存储空间。依赖该指令的其他指令的执行延迟就不用叠加上该指令的延迟，加快了指令的执行。另外，由于该指令不分配物理寄存器，故还节省了物理寄存器的资源。本实施例中译码后的普通执行步骤包括：指令分派、指令发射、指令执行以及结果写回。
综上所述，本实施例立即数转移指令的执行方法利用了立即数传送指令的特性，通过在处理器流水线的前面阶段完成指令功能，并将结果扩展到其他指令可见，节省了处理器的资源，加快了指令执行，从而提高了处理器性能。
此外，本实施例还提供一种立即数转移指令的执行装置，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的步骤。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的计算机程序。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：本实施例中，提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用压缩方式进行存储。
根据指令集中不同立即数的特性，可以采取不同的压缩存储方式和算法，总的目的就是尽量减少存放立即数所使用的存储空间。例如如图5所示，本实施例中采用压缩方式进行存储是指高位存放立即数的有效数据、低位存储立即数的左移量。以RISC-V指令集中的LUI指令为例，有效数据为20比特，左移量为5比特，总共25比特即可存放整个立即数，从而可达到减少存放立即数所使用的存储空间的目的。例如，在LUI指令后续的ADD指令计算时，解压缩数据。在寄存器重命名阶段读出x30的压缩数据，并在流水线中携带该压缩立即数，在进行加法运算时，先解压数据，然后再进行运算，该方案的优点是流水线中需要的存储空间较少，但是需要每个计算部件都具有立即数解压缩的功能。
此外，本实施例还提供一种立即数转移指令的执行装置，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的步骤。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的计算机程序。
实施例三：
本实施例与实施例二基本相同，其主要区别点为：本实施例中采用压缩方式进行存储是指低位存放立即数的有效数据、高位存储立即数的左移量，同样也可以达到减少存放立即数所使用的存储空间的目的。
此外，本实施例还提供一种立即数转移指令的执行装置，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的步骤。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述立即数转移指令的执行方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种立即数转移指令的执行方法，其特征在于，包括：在指令译码后判断译码得到的指令是否为立即数传送类指令，所述立即数传送类指令是指指令的源操作数仅来自于指令的操作码，整个指令的功能就是将指令编码中的立即数进行运算，然后将值写入到目的寄存器中；若译码得到的指令为立即数传送类指令，则针对该立即数传送类指令进行指定的处理步骤以取代译码后的普通执行步骤，所述指定的处理步骤包括：提取该立即数传送类指令中的立即数，基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数，再消除该立即数传送类指令。
2.根据权利要求1所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用展开方式进行存储，所述采用展开方式进行存储是指将存储指令对立即数进行运算后的数值进行存储。
3.根据权利要求1所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述提取该立即数传送类指令中的立即数时，针对得到的立即数采用压缩方式进行存储。
4.根据权利要求3所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述采用压缩方式进行存储是指高位存放立即数的有效数据、低位存储立即数的左移量；或者所述采用压缩方式进行存储是指低位存放立即数的有效数据、高位存储立即数的左移量。
5.根据权利要求3所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述基于获得的立即数改写重命名寄存器表中将立即数传送类指令的目的寄存器作为源操作数的指令的源操作数包括：针对立即数传送类指令后的指令，如果该指令的源操作数为所述立即数传送类指令的目的寄存器，则将该指令的重命名映射表中表项的源操作数对应的寄存器直接修改为从所述立即数传送类指令提取得到的立即数，并将该指令的重命名映射表中表项的是否立即数字段置1，所述重命名映射表中表项的是否立即数字段默认为0。
6.根据权利要求5所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述重命名映射表中表项包括是否立即数字段、体系结构的寄存器号和物理寄存器号/立即数三个字段，其中是否立即数字段的位宽为一个比特。
7.根据权利要求1所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述消除该立即数传送类指令是指在寄存器重名阶段删除该立即数传送类指令，使得该立即数传送类指令不再执行译码后的普通执行步骤中寄存器重名阶段以后的步骤，所述译码后的普通执行步骤包括：指令分派、指令发射、指令执行以及结果写回。
8.根据权利要求1所述的立即数转移指令的执行方法，其特征在于，所述立即数传送类指令包括RISC-V指令集中的LUI指令、RISC-V指令集中的LI指令、ARM指令集中的MOV立即数指令、Intel指令集中MOV立即数指令中的一种。
9.一种立即数转移指令的执行装置，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述立即数转移指令的执行方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述立即数转移指令的执行方法的计算机程序。
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