TW417064B - A method and system for improving emulation performance by providing instructions that operate on special-purpose register contents - Google Patents

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Α7 Β7 4 1%§1告7506號專利申請案 中文説明書修正頁(86年8月） 五、發明説明（· 1 ) · m 請 费 ^ 發明領域 » 本發明係關於一種用以模傲一主處理器之客指令的方法 欠與系統’且更明確地説係關於一種藉由提供運作於特殊用 γ途暫存器内容之指令來改進模倣效能之方法與系統。 七，發明背景 I 以軟體來模倣一主處理器，例如摩托羅拉PowerpcTMt 矣一客指令集，例如英代爾x86指令集，有二種方法。第一 原 金種方法稱爲解譯’且解譯使用解譯程式，而第二種方法稱 g爲動態轉譯，且動態轉譯使用動態轉譯程式。解譯程式模 #擬傳統主處理器以硬禮來執行之掏取，解瑪，與執行循 環°動態轉譯程式擷取並解碼一塊區之客指令並轉譯該等 客指令成爲主指令，且然後再使用該等主指令。每一種方 法皆有其之優點與弱點。 解譯程式一般使用較少之記憶體，但執行速度慢於動態 轉譯程式。當客程式包含經常再使用之部份時，動態轉譯 程式表現良好》但是當客程式修改先前已受到轉譯之部份 時，動態轉譯程式表現不佳。 本發明·之受讓人已發展出協助軟體模倣方法之硬體以獲 得兼具此二種方法之正面特性：解譯程式之小尺寸與動態 轉譯程式之執行速度，的解決方案。在使用該協助硬體之 前 '執行每一客指令之功能所需之主指令序列被编譯成爲 分別之函數，稱爲語意常式，並储存於記憶體。該硬體與 軟體共同運作以擷取客指令，解碼客指令，並分派主處理 器之對應語意常式β • 4 - 本紙張尺度逋用中囷國家樣準（CNS ) 格（210x297公釐） ^ ----- (请先S讀背面之注意事項再填寫本頁)

*1T 經濟部中央標準局員工消费合作社印聚 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印架 A7 B7 2 五 — 一 、發明説明（ 結^客指令執行一運作於一或更多來源運算元，並儲存 運 ^目的運算元。一般而言，一 2_運算元指令之第一 常是：疋—暫存器之内容或一記憶體，立| :第二運算元通 常=。暫存器之内容或立即資料，而該立即資料是一數値 源運客指令時’硬趙協助單元―般错存客指令之來 :但β疋於主處理器内之—或更多-般用途暫存器(gpr5) 登疋’如果來源運算元是立即資料則一般错存於硬想協 单疋内之特殊用途暫存器（SPR3。 艮;客指令執行一運作，例如加法於一來源運算元與立 P資料時，一般用途暫存器之來源運算元必須加至特殊用 “存器之立即資料。但是，此加法一般是由主處理器之 -整數單元來執行而該整數單元只能相加一般用途暫存器 之内容β對特殊用途暫存器之内容執行運作之語意常式因 此必須包含一移動特殊用途暫存器之内容至一般用途暫存 器之額外主指令。然後整數單元可相加第一—般用途暫存 器之運算元與第二一般用途暫存器之立即資料。此種方法 之缺點是語意常式之额外移動指令之執行可大爲減慢處理 器之模倣效能。 因此，需要一種利用運作於特殊用途暫存器之内容以改 進模傲效能的方法與系統。本發明探討此種需求。 發明摘要 本發明提供一種改進模倣一客指令之處理器之故能的方 法與系統，其中該客指令包含第一運算元與第二運算元。 -5- 本紙浪尺度逋用中國國家楳率{ CNS > Μ洗格< 210X297公嫠） (請先閎讀背面之注項再填寫本頁)

4； 4； 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印裝 Α7 Β7 五、發明説明（3 ) 第一運算疋儲存於一般用途暫存器，而第二運算元儲存於 特殊用途暫存器。此種方法與系統提供—利用第一運算元 與第二運算元來執行—運作而無需使第二運算元自特殊用 途暫存器移至一般用途暫存器之主指令。 根據本文所提出之系統與方法，本發明減少運作於立即 資料·^語意常式之指令的數目’因而降低語意常式之執行 時間並增進模傲效能β 附囷簡單説明 囷1是描述一主處理器之高階架構的方塊圖。 囷2是一模倣協助單元之方塊圖。 囷3是一以前技術之整數單元的方塊圖。 囷4是顯示根據本發明之一整數單元的方塊圖。 圖5是一列出對儲存於特殊用途暫存器之立即資料執行運 作之一组主指令的表。 發明説明 本發明係關於模倣主處理器之客指令的改進β下列説明 是要使普通熟悉本技術領域者能夠製造並使用本發明且是 以專利申請與其需求之方式來提供。較佳實例之各種修改 對於熟悉本技術領域者而言應是顯而易見的且本文之通屬 原理可應用於其他實例。因此，無意限制本發明於所展示 之實例而是要涵蓋符合本文所述之原理與特點的最廣範疇 〇 囷1是描述主處理器10之高階架構的方塊囷。一般而言 ，處理器10利用各種硬體元件，例如記憶體12，層2(L2) _____-6-________ 本紙张尺度逍用中國國家#率（CNS > A4洗格（210X297公釐） f #先閑讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部中央標準局員工消費合作社印袈 4Π064 A7 _____B7 五、發明説明（4 ) 快取記憶體1 4，資料快取記憶體1 6，指令快取記憶體 (IC ) 1 8 ’指令彳宁列（I Q ) 2 〇 ’分支預測單元2 2，功能單元 24-32，與結束緩衝器34，來執行本地敕體指令。 •在本發明之一較佳實例中，處理器丨〇是摩托羅拉公司所 製造且執行PowerPC (PPC)指令集之powerpc。除了執行 P P C指令集以外，處理器1 〇也能夠模倣多個客指令3 8，例 如英代爾x86指令與摩托羅拉68K複雜指令集電腦（CISC) 指令。 負貴協助處理器10模倣客指令38之元件是模倣協助單元 (EAU)3 6。爲使處理器10能夠模倣客指令38,每一客指 令38首先轉譯成爲一组對應之主指令，稱爲語意常式4〇， 而語意常式40在主處理器10執行客指令38的功能。每一 語意常式40儲存於記憶體12之一特定位址位置》客指令 38(與資料）也儲存於記憶體12。 在運作中，處理器10分別快取客指令3 8與資料進入L2快 取記憶體14與快取記憶體16 〇 EAU 36擷取並解碼客指令 38，且然後對映每一客指令38進入對應語意常式40之主 記憶體位址》處理器10擷取位於指定之記憶體位置的語意 常式40進入指令快取記愫體18。然後包含於語意常式40 之主指令轉移至IQ 20 »然後利用分支預測單元2 2與功能 單元24-32來解碼並執行每一主指令。在執行語意常式40 且儲存結果於結束緩衝器34之後，EAU 36對映下一客指令 38之主位址，且此過程重覆》 現在請參看囷2，其展示EAU 36之方塊囷》EAU 36包含 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家梂率（CNS ) Α4规格（210XW7公釐） 4U064 A7 B7 經濟部令央揉準局員工消费合作社 -8- 五、發明説明（5 ) 指令緩衝器50，預擷取單元52，特殊用途暫存器（3卩1^54 ，解碼單元56，分支歷史表58,標籤產生單元60，客快 取記憶體（gcache) 6 2，與客快取記憶體指令佇列6 4。EAU 36之功能是協助處理器1〇利用一直接對映方法來模倣客指 令38 » 首先預擷取單元52自資料快取記憶體16預擷取一客指令 38。然後該客指令38載入指令緩衝器50並轉移至解碼單 元56。因爲直接對映一客指令38至一主位址由於該客指令 3 8之語法而複雜化，所以使用解碼單元5 6來解析或解碼客 指令38以決定長度，分支型式，與立即資料。如果指令 是一分支，則使用分支歷史表5 8來預測下一預擷取位址。 客快取記憶體6 2是一陣列且該陣列包含—語意常式4 〇與 其對應之主記憶體位址的一對應項。在解碼客指令38之後 ’標籤產生單元60轉換指令38成爲惟一之運作碼標籤，且 該運作碼標籤是作爲客快取記憶體62之索引以存取對應之 语意常式4 0位址。 當客指令38獲得解碼且對應之語意常式40變爲已知時， 則儲存語意常式40與他們之位址於客快取記憶體指令佇列 64»客快取記億禮指令㈣64之每―令包含—偏移搁與一 資料攔。偏移欄是指向語意常式40之主（p〇werpc(ppc)) 位址之指標。資料棚包含語意常式4〇要處理之客指令的立 。在本發明之-較佳實例中’包含立即資料之偏移 欄與資料欄倚存於特殊用途暫存器54。 請參看圖⑽，處理器10經由線66來翔取指令件祕 冰張尺度適用中困困家輮準(CNs )躺狀（2ι〇χ297公釐 (讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 號專利申請案 1中文説明書修正頁(86年8月） 五、發明説明（·6 ) · 之第一項’且自記憶體12擷取適當之語意常式40來執行。 母一语意系式40之最後一指令是一分支指令，而該分支指 令在一較佳實例中是客分派結束（gdisc )指令6 8。當處理器 10擴取並解碼一gdisc指令68時，該gdisc指令68使得處理 器1 0經由線6 8自指令佇列64擷取下一語意常式4 0之位 址〇 在一較佳實例中，要執行之下一語意常式40之位址儲存 於目前之指令指標（1?)70〇8(1丨5£：指令6 8之解碼也導致下— IP 72移入目前之ip 72 °同時在一較佳實例中，gdisc指令 是無條件型分支指令，但可使用導致處理器擷取下一語意 常式之任何指令。 一般而言’有許多種功能不同之客指令，例如資料轉 移，算術，與邏輯指令。該等型式之指令指定是否該指令 要對立即資料，暫存器或記憶體位置執行一運作。舉例而 言，一樣本客指令可具有下列格式： ADD G1, '4 其中"ADD"指令相加一般用途暫存器之内容與立即値4。 再參考圖'2，處理器10利用對應於客"ADD"指令之語意常 式4 0來模倣樣本客指令38。一旦此語意常式40獲得分派， 該語意常式40是由整數單元28與30之一來執行。爲此討論 起見，整數單元28與30完全相同。 現在請參考圖3，其展示一以前技術之整數單元（ιυ)的方 塊圖。IU 31包含多個一般用途暫存器1〇〇，一整數指令單 元102，一算術邏輯單元（ALU)104，一多工器1〇6，與 -9- 本紙乐尺度逋用中囷囷家輮率（CNS ) A4规格（210X297公漦） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Γ- 4Π064

五、發明説明（7 經濟部争夬梯準.局員工消费合作社印裝 一重新命名緩衝器108。 傳送至IU3i之主整數指令，例如"Add"，由整數指令 單元⑽來接收，|整數指令單元1〇2解瑪絲#該等主整 數指令。一般用途暫存器100儲存主整數指令之運算元。 該等運算元是做爲ALU104之輸入，而則⑽對該等運 算元執行所指定之算術運作^ ALU 1〇4之結果輸入至多工 器106，且該多工器之輸出儲存於重新命名缓衝器ι〇8。重 新命名緩衝器之内容稍後可移至一般用途暫存器1〇〇。 儲存IQ 64之諸項的特殊用途暫存器5 4經由客匯流排 (gbus )110搞接至IU28之多工器1〇6。當一客指令指定一個 一般用途暫存器100之一運算元要加至立即資料時，執行 此加法之對應語意常式必須包含一使得立即資料自特殊用 途暫存器54移至一般用途暫存器1〇〇之主指令。 模倣前述客相加指令之一示範語意常式40可包含下列指 令：

MFSPR imm., temp ADD Gl, temp GDISC 主指令MFSPR(自特殊用途暫存器移走）是一移動指令，且 該移動指令拷貝特殊用途暫存器5 4之立即資料至一稱爲 temp之暫時變數，而該暫時變數temp儲存於諸一般用途暫 存器100之一。主"ADD"指令導致ALU 104相加G1之内容 與儲存temp之一般用途暫存器100之内容。然後相加之結 果儲存於重新命名緩衝器108 »如前所述，GDISC指令導致 -10 - 本紙张尺度適用中囷躪家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） (諳先W讀背面之注意事項再填寫本頁}

41Τ064 Α7 Β7 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（8 ) 處理器擷取要執行之下一語意常式》 示範語意常式40之額外"MFSPR"指令可大爲減慢處理器 10之模倣效能。這是由於每一次一語意常式對儲存於特殊 用途暫存器54之立即資料執行運作則需要額外之處理器循 環來執行MFSPR指令。 本發明是一種藉由提供直接運作於特殊用途暫存器54内 容之指令來改進模倣效能之方法與系統。爲更明確地顯示 根據本發明之方法與系統，現在請參看描述此種系統之一 實例之方塊圖的囷4。 囷4是一顯示根據本發明之整體單元（11;)28之方塊囷。 根據本發明’本發明提供一仵列匯流排（qbus) 112以直接 核接特殊用途暫存器54至ALU 104。這使得ALU 104可執 行運作於特殊用途暫存器54之内容而無需首先移動特殊用 途暫存器54之内容至一般用途暫存器100。 本發明已定義一组新的主指令以運用此新的特點。該等 新的指令然後用於模倣具有立即資料之客指令38之語意常 式4 0。 現在請參看圈5，其展示一列出一組新ppc指令之表而且 該组新PPC指令對镟存於特殊用途暫存器54之立即資料執 行運作》在該等指令中，簡寫"RT”指定一個一般用途暫存 器100做爲目的地，而簡寫"RA"指定一個一般用途暫存器 100做爲來源》 指令MFGI使得立即資料移出特殊用途暫存器54並放置該 資料於RT。指令ADDFGI相加來自特殊用途暫存器54之立 -11 - 本紙張尺度通用中國國家樣準（CNS ) Α4规格（2丨0X297公羡） (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) -* 訂 -^. r ΑΠ06Α A7 B7 五、發明説明（9 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印裳 即資料與RA之一運算元，並放置結果於rt。指令SUBfgi 自特殊用途暫存器54之立即資料減去ra之一運算元，並 放置結果於RT。指令SHIFTFGI以RA之一運算元所指定之 偏移數量移出特殊用途暫存器54之立即資料，並放置钟果 於RT。 ° 在該等指令之前’至少二主指令需要對特殊用途暫存器 54之立即資料執行運作。若使用本發明之主指令，只需一 主指令執行此種運作。這減少處理器1〇在語意常式4〇必須 執行之指令的數目且因此增進模倣效能β 藉由核接特殊用途暫存器54至IU 28之ALU 104變爲可行 之該組新的指令並不限於画5所列出之主指令。列於圖5之 資料轉移，算術，與遲輯指令只是做爲範例β 本案提出一種藉由耦接特殊用途暫存器至一整數單元之 ALU來使主指令可直接運作於特殊用途暫存器内容以改進 模傲效能之方法與系統。雖然本發明一直根據所展示之實 例來加以説明，普通熟悉本技術領域者應可輕易認知該等 實例可具有許多變型且該等變型屬於本發明之精神與範疇 。因此，在不偏離附加之申請專利範圍之精神與範疇之下 普通熟悉本技術領域者可實施許多修改。 -12- 本·紙張度適用中國國家樣準（CNS ) Α4洗格（210X297公釐） (請先W讀背面之史意事項再填寫本頁) ."

Claims (1)

1. A8 BS C8 D8

   、申請專利範圍 一種用以改進一模倣—客指令之處理器之效能的方法， 該客指令包含第-運算元與第二運算^，該種方法包本 下列步驟： " (a) 儲存第一運算元於一個一般用途暫存器並儲存第二 運算元於一個特殊用途暫存器：及 (b) 提供一指令，且該指令利用第一運算元與第二運算 元來執行-運作而無需使得第二運算元自該特殊用 途暫存器移至該一般用途暫存器。 2.根據申請專利範圍第4之方法，其中處理器包含一模 倣協助單元，其中步騍（a)包含下列步驟： (al>提供模倣協助單元之特殊用途暫存器。 3_根據申請專利範圍第2項之—種方法，其中處理器包含 -算術邏輯單元與一多工器’其中該算術邏輯單元耦接 於-般用途暫存器與該多工器之間，其中步樣⑷進 包含下列步驟： (a2)耗接特殊用途暫存器至算術邏輯單元。 4. 根據申請專利範圍第3項之一種方法，其中步驟⑻進— 步包含下列步驟： 經濟部中央梂準局貝工消費合作社印策 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •aT (bl)儲存運作之結果於第三一般用途暫存器。 5. 根據中請專利範固第4項之—種方法，丨中該運作是一 算術運作。 6. 根據申請專利範团第5項之—種方法，其中該 資料轉移運作0 " 7·根據申請專利範固第6項之一種方法，其中該運作是一 -13- 本紙張从適财郎家料（CNS )从胁（加公釐） 經濟部中央標準局貝工消費合作社印敦 ^ Α8 ： 0； ' C8 D8 六、申請專利範圍 邏輯運作β 8. 根據申請專利範圍第7項之一種方法，其中處理器利用 一語意常式來模倣客指令且該指令是該語意常式之一指 令。 9. 一種用以模倣一客指令之處理器，該客指令包含第一運 算元與第二運算元，該處理器包含： 用以儲存第一運算元於一個一般用途暫存器且儲存第 二運算元於一個特殊用途暫存器之裝置；及 指令裝置，且該指令裝置利用第一運算元與第二運算 元來執行一運作而無需使得第二運算元自該特殊用途暫 存器移至該一般用途暫存器。 10. 根據申請專利範圍第9項之一種處理器，其中該處理器 進一步包含一模倣協助單元，且其中特殊用途暫存器是 該模做協助單元之一部份。 11. 根據申請專利範園第10項之一種處理器，其中該處理器 進一步包含： —算術遲輯單元；及 一多工器， 其中算術邏輯單元耦接於一般用途暫存器與多工器之 間，且其中特殊用途暫存器耦接至算術運輯單元。 根據申請專利範圍第U項之一種處理器’其中該指令裝 置進一步包含用以儲存運作之結果於第三—般用途&存 器之裝置。 13.根據申請專利範圍第12項之一種處理器，其中該指令裝 ____ - 14 - ( CNS ) Α4*υ«- ( 210X297-^* ) ' ------_ (请先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -κ- ^ 4170G4

   經濟部中央梂準局員工消f合作社印裝 置是一算術運作。 根據申請專利圍第i 3項之—種處理器，其中該指令裝 置是一資料轉移運作》 根據申請專利範圍第14項之_種處理器，其中該指令装 置是一邏輯運作β 根據申請專利範圍第15項之_種處理器，其中處理器利 用意#式來模倣客指令且該指令裝置是該語意常式 之一指令。 17, -種用以模倣客指令之處理器，其中多個客指令包含立 即資料，該處理器包含： 用以儲存語意常式於特定位址之記憶體該等語意 常式之每一語意常式包含一塊區用以模倣客指令之功能 的主指令； 一用以解碼客指令與分派一對應語意常式之模倣協助 單元，該模倣協助單元包含： 用以儲存多項之多個特殊用途暫存器，其中該等多項 之每一項包含一偏移攔與一資料欄，其中該偏移欄是指 向語意常式之記憶雄位址的指標，而該資料欄是對應客 指令之立即資料： 用以儲存運算元之多個一般用途暫存器；及 語意常式之多個主指令，且該等多個主指令利用一般 用途暫存器之立即資料與運算元來執行運作而無需使得 立即資料自該等特殊用途暫存器移至該等一般用途暫存 器。 14. 15. 16. -15- 本紙張尺度逋用中國躅家揉率（CNS > A4規格（210X297公釐） (锖先Μ讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 ^· ΑΠ0641 六、申請專利範圍 18.根據申請專利範圍第1 7項之一種處理器，其中該處理器 進一步包含一用以執行主指令之整數單元，該整數單元 包含一算術邏輯單元與一多工器，其中該算術邏輯單元 耦接於多個一般用途暫存器與該多工器之間，且其中咳 等特殊用途暫存器耦接至該算術邏輯單元。 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 -16- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐）