CN1731358A - 减轻片上系统软件负载的方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机技术的减轻片上系统软件负载的方法。本发明采用链表原理，软件负责将多个操作指令组织成链表，并控制硬件的启动和复位，硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，整个指令链表执行完毕后，发送一个中断信号。将指令字和所有参数组成一个指令节点，一个节点对应一个操作，最后一项NIP是指向下一个节点的指针，存放下一个节点的起始内存地址，并约定如果此单元值为0表示该节点为链表的最后一个节点，多个节点组成一个指令链表。本发明将多个操作打包成指令链表，由硬件自动执行链表中的所有操作，对应多个操作只有一个中断，从根本上解决了中断次数过多引起软件负载加重的问题，同时实现方法简单，通用性强。

Description

减轻片上系统软件负载的方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机技术领域的方法，具体地说是一种减轻片上系统软件负载的方法。

背景技术

一个片上系统(SoC)通常由系统框架(包括CPU、总线、存储单元等)和多个输入/输出(I/O)功能模块组成。其中，CPU负责各I/O功能模块(例如音频模块、视频解码模块、视频处理模块、图形系统模块等)的控制，这种控制一般通过配置各I/O功能模块的寄存器完成。这些寄存器通常位于主控接口模块(HostIF)中，与系统存储器统一编址，一般包括控制寄存器、指令寄存器和参数寄存器。控制寄存器完成I/O功能模块的复位和启动控制。指令寄存器指示I/O功能模块需完成的操作。参数寄存器提供I/O功能模块工作所需的参数。实时性是大多数SoC所要求的，为使CPU对各I/O功能模块进行及时响应，可以采取多种方法进行控制。

经对现有技术的文献检索发现，William Stallings所著的《计算机组织与结构—性能设计(第五版)》(2001.8高等教育出版社)第182页至第209页介绍，主要有三种I/O控制方法：程序控制I/O、中断驱动I/O、直接存储器访问(DMA)。这三种方法依次减轻了CPU的负载。其中后两种方法都需要采用中断进行控制。但是，通常SoC中CPU的能力相当有限，过度频繁的中断会使CPU的开销加大，效率降低，严重影响系统性能，甚至使系统无法正常运行。该书的第207页至209页提出了I/O通道(I/O channel)的概念，这种技术理论上可进一步减轻CPU的负载。但具体的I/O通道实现方法，书中并未提及。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种减轻片上系统软件负载的方法，使其将多个操作指令组织成指令链表，整个指令链表执行完毕后，发送一个中断信号，这样，原来需要多次中断现在只需要1次中断。对于需要连续多次进行操作的模块可以明显减少CPU中断次数，从而减轻CPU负载。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用链表原理，将多个操作指令组织成指令链表，对软硬件进行协同设计，软件负责将指令组织成链表，并控制硬件的启动和复位，硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，整个指令链表执行完毕后，发送一个中断信号。

所述的将多个操作指令组织成指令链表，是指：将指令字和所有参数组成一个指令节点，一个节点对应一个操作。最后一项NIP是指向下一个节点的指针，存放下一个节点的起始内存地址，并约定如果此单元值为0表示该节点为链表的最后一个节点。多个节点组成一个指令链表。

所述的软件控制硬件的启动和复位，是指：在HostIF中设置控制寄存器和寄存器HIP，控制寄存器用于控制I/O功能模块的启动和复位，HIP用于存放链表的头节点的指针。

所述的I/O功能模块的硬件主要由三部分组成：取指单元、执行单元和控制单元，取指单元负责从系统存贮器中取出指令节点，存放到片内的寄存器中。执行单元根据取出节点的内容执行相应的操作。控制单元控制取指单元和执行单元的动作。

取指和执行顺序进行，即取出一个节点，执行，再取下一个节点，再执行，直到所有节点执行完毕。需要在片内设置一组寄存器，用于存放取出的节点内容。控制单元用状态机实现。该状态机共有三个状态：空闲、取指和执行。系统上电后处于空闲状态，当模块收到启动信号后转到取指状态，否则保持空闲状态；在取指状态下，取指完毕后进入执行状态，否则保持取指状态；在执行状态下，当前节点指令执行完后检查NIP的值，如果NIP非0则又进入取指状态，否则进入空闲状态；在任何状态下复位信号有效后，都进入空闲状态。在取指状态下，取指电路工作，从系统存储器中取出一个节点的内容，并赋值给相应的寄存器。在执行状态下，执行电路根据刚才更新的寄存器的值进行相应操作。在空闲状态下，所有电路处于复位状态。

所述的I/O功能模块启动后，首先根据HIP的值，从系统RAM中取出第一个节点的数据，进行第一个操作。操作完成后，根据NIP的值从系统RAM中取出下一个节点的数据，进行下一个操作，直到NIP为0。整个指令链表都执行完后，发出中断信号。CPU在收到中断信号后，进行中断处理，发送下一个操作指令链表。

所述的硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，具体为：在取指单元中设置取指计数器，取指单元每读进一个数据取指计数器自动加一，在执行状态时，计数器清零。所以取指计数器的值对应当前数据在节点中的位置，可以指导数据进入相应寄存器，并且当计数器的值等于节点的长度时，表明当前节点取指完毕，可以指导控制状态机跳转。执行单元在控制状态机的控制下执行指令，当执行完毕时向控制状态机发送“执行完毕”信号。由于系统中数据和指令共用一个片外存储器，因此需要一个选择器，在状态机的控制下选择相应的信号送到存储控制器(MC)。

本发明具有突出的实质性特点和显著进步，本发明将多个操作打包成指令链表，由硬件自动执行指令链表中的所有操作，对应多个操作只有一个中断，极大地减少了中断次数，从而减轻了CPU的负载，对于保证SoC的实时性意义重大。另外，由于大量寄存器被移出HostIF，以链表节点的方式组织，而链表是由软件生成，放在片外RAM中，这样整个SoC芯片面积可减少，片内连线也可减少。本发明从根本上解决了中断次数过多引起软件负载加重的问题，具有实现方法简单，通用性强的特点。

附图说明

图1本发明链表结构图

图2本发明硬件结构框图

图3本发明控制状态转换图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明由软件和硬件共同完成。软件负责将指令组织成链表，并控制硬件的启动和复位。

如图1所示，指令链表组织如下：一个指令节点由指令字、所有参数和NIP(用于存放下一个节点的起始内存地址)组成，他们在内存中的连续存放，假设指令字的地址为X，共有N个参数，则他们的地址依次为X、X+1、X+2…X+N+1。最后一项NIP是指向下一个节点的指针，并约定如果此单元值为0表示该节点为链表的最后一个节点。一个节点对应一个操作，多个节点组成一个指令链表，链表最后一个节点的NIP值设为0。

在HostIF中设置寄存器HIP和控制寄存器，用HIP存放链表的头节点的指针，即第一个节点指令字的地址，控制寄存器设置启动位和复位，用于控制I/O功能模块的启动和复位。CPU执行的步骤如下：

1)准备指令链表，送入系统RAM中；

2)设置好HIP；

3)在I/O功能模块就绪的情况下，设置控制寄存器，启动I/O功能模块。

硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，整个指令链表执行完毕后，发送一个中断信号。

如图2所示，本发明硬件部分有取指单元、执行单元、控制单元、指令寄存器组和选择器。取指单元负责从系统存贮器中取出指令节点，存放到片内的指令寄存器组。执行单元根据指令寄存器组的内容执行相应的操作。因而指令寄存器组成为取指单元和执行单元的桥梁。所有单元都在控制单元的控制下工作。该控制单元由控制状态机实现。

如图3所示，控制状态机共有三个状态：空闲、取指和执行。系统上电后处于空闲状态，当模块收到启动信号后转到取指状态，否则保持空闲状态；在取指状态下，取指完毕后进入执行状态，否则保持取指状态；在执行状态下，当前节点指令执行完后检查NIP的值，如果NIP非0则又进入取指状态，否则进入空闲状态；在任何状态下复位信号有效后，都进入空闲状态。

模块启动后进入取指状态，取指单元向存储控制器(MC)发送发出读请求，请求的地址为HIP，读取个数为链表节点的大小。MC响应请求后，发送数据到取指单元，由数据有效信号指示数据的到来。在取指单元中设置取指计数器，取指单元每读进一个数据(即数据有效信号为高)取指计数器自动加一。根据取指计数器的值，把读进的数据送到指令寄存器组中相应的寄存器中。当取指计数器的值等于链表节点的大小时，表明取指完毕，进入执行状态，取指计数器清零，执行单元根据指令寄存器组的值执行相应操作，操作完成后发出执行完毕信号。同时检查指令寄存器组中NIP的值，如果非0，表明还有指令要执行，将NIP的值赋给取指单元，作为下一次取指的地址，进入取指状态，取下一个指令节点，如果NIP为0，表明整个指令链表执行完毕，发出中断信号，进入空闲状态。由于系统中数据和指令共用一个片外存储器，因此需要一个选择器，选择器由状态机控制，在取指状态下，将取指单元的信号送MC，在执行状态下，将执行单元的信号送MC。

本发明将多个操作打包成指令链表，由硬件自动执行指令链表中的所有操作，对应多个操作只有一个中断，从根本上解决了中断次数过多引起软件负载加重的问题，方法实现简单，通用性强。

Claims (9)

1、一种减轻片上系统软件负载的方法，其特征在于，采用链表原理，软件负责将多个操作指令组织成链表，并控制硬件的启动和复位，硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，整个指令链表执行完毕后，发送一个中断信号。

2、根据权利要求1所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的将多个操作指令组织成链表，是指：将指令字和所有参数组成一个指令节点，一个节点对应一个操作，最后一项NIP是指向下一个节点的指针，存放下一个节点的起始内存地址，并约定如果此单元值为0表示该节点为链表的最后一个节点，多个节点组成一个指令链表。

3、根据权利要求1所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的软件控制硬件的启动和复位，是指：在HostIF中设置控制寄存器和寄存器HIP，控制寄存器用于控制I/O功能模块的启动和复位，HIP用于存放链表的头节点的指针。

4、根据权利要求1或者3所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的软件控制硬件的启动和复位，CPU执行的步骤如下：

1)准备指令链表，送入系统RAM中；

2)设置好HIP；

3)在I/O功能模块就绪的情况下，设置控制寄存器，启动I/O功能模块。

5、根据权利要求3所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的I/O功能模块，其硬件主要由三部分组成：取指单元、执行单元和控制单元，取指单元负责从系统存贮器中取出指令节点，存放到片内的寄存器中；执行单元根据取出节点的内容执行相应的操作；控制单元控制取指单元和执行单元的动作。

6、根据权利要求5所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的控制单元用状态机实现，该状态机共有三个状态：空闲、取指和执行，系统上电后处于空闲状态，当模块收到启动信号后转到取指状态，否则保持空闲状态；在取指状态下，取指完毕后进入执行状态，否则保持取指状态；在执行状态下，当前节点指令执行完后检查NIP的值，如果NIP非0则又进入取指状态，否则进入空闲状态；在任何状态下复位信号有效后，都进入空闲状态。

7、根据权利要求6所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的状态机，在取指状态下，取指电路工作，从系统存储器中取出一个节点的内容，并赋值给相应的寄存器；在执行状态下，执行电路根据刚才更新的寄存器的值进行相应操作；在空闲状态下，所有电路处于复位状态。

8、根据权利要求3或者5所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的I/O功能模块启动后，首先根据HIP的值，从系统RAM中取出第一个节点的数据，进行第一个操作，操作完成后，根据NIP的值从系统RAM中取出下一个节点的数据，进行下一个操作，直到NIP为0，整个指令链表都执行完后，发出中断信号，CPU在收到中断信号后，进行中断处理，发送下一个操作指令链表。

9、根据权利要求1所述的减轻片上系统软件负载的方法，其特征是，所述的硬件启动后自动读入链表的每个节点，完成相应数据的操作，具体为：在取指单元中设置取指计数器，取指单元每读进一个数据取指计数器自动加一，在执行状态时，计数器清零，所以取指计数器的值对应当前数据在节点中的位置，能指导数据进入相应寄存器，并且当计数器的值等于节点的长度时，表明当前节点取指完毕，指导控制状态机跳转；执行单元在控制状态机的控制下执行指令，当执行完毕时向控制状态机发送“执行完毕”信号，由于系统中数据和指令共用一个片外存储器，因此需要一个选择器，在状态机的控制下选择相应的信号送到存储控制器。

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