一种双宽度指令系统的性能无损切换方法及其应用系统.pdf

本发明公开了一种双宽度指令系统的性能无损切换方法及其应用系统，该方法是在双宽度指令系统中引入两个状态切换指令集合，该两个状态切换指令集合分别“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合，所述状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器运行状态的功能。

1、  一种双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，该方法是在双宽度指令系统中引入两个状态切换指令集合，该两个状态切换指令集合分别“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合，所述状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器运行状态的功能。

2、  根据权利要求1所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述“宽-窄”状态切换指令集合中的指令是在32位指令的程序中频繁出现，该指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至窄指令状态的功能；所述“窄-宽”状态切换指令集合是在可用16位指令表示的程序片段最后频繁出现，在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至宽指令状态的功能。

3、  根据权利要求1或2所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
状态切换指令的选取步骤，用于由代码分析工具依据设定的算法选择符合设定条件的指令加入到状态切换指令集中；
微体系结构的设计步骤，用于在体系结构中引入状态切换指令集合以及双宽度指令系统混合编码的结构设计；
混合编码生成步骤，用在不破坏原有指令语义序列的基础上，将所有可以转换的指令序列用状态切换指令和窄指令表示，生成最终的可执行目标文件。

4、  根据权利要求3所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述状态切换指令的选取步骤进一步包括：
步骤S101，分析工具维护两块存储空间来记录每个指令的权重；
步骤S102，选择出现频率最高的候选指令加入到相应状态切换指令集合中；
步骤S103，对于程序中的每条候选指令，如果该候选指令与目前状态切换集合中的一条指令有“可转换”关系，则存储空间中的相应项的值加一；
步骤S104，选择数组中值最大的项，并将它加入状态切换指令集合中，如果状态切换指令集合中指令数少于给定总指令数，则转到步骤S103；否则，结束。

5、  根据权利要求3所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述微体系结构的设计主要是对译码结构的设计，该译码结构的设计方式包括统一译码和分离译码两种方式。

6、  根据权利要求5所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述统一译码方式是将从内存取到的32位指令首先通过16位解码器和状态切换指令预解码器转换为相应的32位指令和状态设置信号，之后和原32位指令一起通过多路选择器选择出当前指令，最后统一由32位译码器进行最终的译码；所述分离译码方式，是将指令首先由16位、状态切换指令和32位指令译码器分别译码，最后由多选器选择最终的译码结果。

7.  根据权利要求3所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述微体系结构的设计步骤中，混合编码指令序列是一条“宽-窄”状态切换指令开始，中间有若干条16位指令，最后以一条“窄-宽”状态切换指令作为结束。

8、  根据权利要求3所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述混合编码生成步骤进一步包括：
步骤S301，标记可以转换的指令；
步骤S302，将所述可以被转换的指令相邻排列，标记确定要被转换的指令；
步骤S303，重新计算装载或跳转目标地址，输出最终的可执行目标文件。

9、  根据权利要求4所述的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述步骤S103中，所述“可转换”关系的定义如下：当A是“宽-窄”状态切换“候选指令”且B是“窄-宽”状态切换“候选指令”，且在程序二进制代码中二者之间的所有指令都是“可被16位表示的”，则指令A与指令B构成所述“可转换”关系。

10、  一种实现上述权利要求1～9中任一项所述方法的应用系统，其特征在于，包括一状态切换装置，该状态切换装置进一步包括：
一“宽-窄”状态切换模块，用于控制一“宽-窄”状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至窄指令状态的功能；及
一“窄-宽”状态切换模块，用于控制一“窄-宽”状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至宽指令状态的功能。

一种双宽度指令系统的性能无损切换方法及其应用系统
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 RISCPerformance in Portable and Consumer Applications.Proceedings of the 41stIEEE 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，CodeGeneration for a Dual Instruction Set Processor based on Selective CodeTransformation.Proceedings of the 7th International Workshop on Software andCompilers 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。
请参考：A.Halambi，A.Shrivastava，P.Biswas，N.Dutt，A.Nicolau.AnEfficient Compiler Technique for Code Size Reduction using ReducedBit-width ISAs.Design Automation and Test in Europe，March 2002，该文献提供了一种将两种宽度的指令系统在同一编码空间中编码的方法，这种方法不需要显式的状态切换，相当于重新设计新的指令系统。例如Halambi等人提出的方法，指令系统最高位为1，则表示32位，最高位为0，则表示16位。这种方法的缺点是将32位指令空间分了一半给16位，限制了32位指令系统的表达能力，同时不能与原指令系统兼容。Thumb2的方法也属于这一类。
综上所述，已有的双宽度指令系统切换存在着不能与原指令系统兼容或降低程序运行性能的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种双宽度指令系统的性能无损切换方法及其应用系统，使其可以在减小代码大小的同时不会降低代码性能。
为达到上述目的，本发明提供的双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，该方法是在双宽度指令系统中引入两个状态切换指令集合，该两个状态切换指令集合分别“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合，所述状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器运行状态的功能。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述“宽-窄”状态切换指令集合中的指令是在32位指令的程序中频繁出现，该指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至窄指令状态的功能；所述“窄-宽”状态切换指令集合是在可用16位指令表示的程序片段最后频繁出现，在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至宽指令状态的功能。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
状态切换指令的选取步骤，用于由代码分析工具依据设定的算法选择符合设定条件的指令加入到状态切换指令集中；
微体系结构的设计步骤，用于在体系结构中引入状态切换指令集合以及双宽度指令系统混合编码的结构设计；
混合编码生成步骤，用在不破坏原有指令语义序列的基础上，将所有可以转换的指令序列用状态切换指令和窄指令表示，生成最终的可执行目标文件。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述状态切换指令的选取步骤进一步包括：
步骤S101，分析工具维护两块存储空间来记录每个指令的权重；
步骤S102，选择出现频率最高的候选指令加入到相应状态切换指令集合中；
步骤S103，对于程序中的每条候选指令，如果该候选指令与目前状态切换集合中的一条指令有“可转换”关系，则存储空间中的相应项的值加一；
步骤S104，选择数组中值最大的项，并将它加入状态切换指令集合中，如果状态切换指令集合中指令数少于给定总指令数，则转到步骤S103；否则，结束。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述微体系结构的设计主要是对译码结构的设计，该译码结构的设计包括统一译码和分离译码两种方式。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述统一译码方式是将从内存取到的32位指令首先通过16位解码器和状态切换指令预解码器转换为相应的32位指令和状态设置信号，之后和原32位指令一起通过多路选择器选择出当前指令，最后统一由32位译码器进行最终的译码；所述分离译码方式，是将指令首先由16位、状态切换指令和32位指令译码器分别译码，最后由多选器选择最终的译码结果。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述微体系结构的设计步骤中，混合编码指令序列是一条“宽-窄”状态切换指令开始，中间有若干条16位指令，最后以一条“窄-宽”状态切换指令作为结束。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述混合编码生成步骤进一步包括：
步骤S301，标记可以转换的指令；
步骤S302，将所述可以被转换的指令相邻排列，标记确定要被转换的指令；
步骤S303，重新计算装载或跳转目标地址，输出最终的可执行目标文件。
上述双宽度指令系统的性能无损切换方法，其特征在于，所述步骤S103中，所述“可转换”关系的定义如下：当A是“宽-窄”状态切换“候选指令”且B是“窄-宽”状态切换“候选指令”，且在程序二进制代码中二者之间的所有指令都是“可被窄指令(例如16位指令)表示的”，则指令A与指令B构成所述“可转换”关系。
进一步的，本发明还提供了一种实现上述方法的应用系统，其特征在于，包括一状态切换装置，该状态切换装置进一步包括：
一“宽-窄”状态切换模块，用于控制一“宽-窄”状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至窄指令状态的功能；及
一“窄-宽”状态切换模块，用于控制一“窄-宽”状态切换指令集合中的指令在执行普通操作的同时，还执行切换处理器状态至宽指令状态的功能。
与现有技术相比，本发明提供的双宽度指令系统的性能无损切换机制，通过在原指令系统中引入两个精简的状态切换指令集合，分别为“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合。“宽-窄”状态切换指令集合中的指令在宽指令(如32位指令)的程序中频繁出现，在执行如加法、跳转等普通操作的同时，还能起到将处理器状态切换至窄指令状态的作用；“窄-宽”状态切换指令集合则在可用窄指令(如16位指令)表示的程序片段最后频繁出现，同样在执行加法等普通操作的同时，可将处理器状态切换至宽指令状态。该机制可以很好的支持细粒度混合编码，能够在不降低程序运行性能的同时，有效减小代码的大小。
附图说明
图1为本发明双宽度指令系统的性能无损切换机制的主要实施流程；
图2为本发明中状态切换指令的选取流程；
图3为本发明中混合编码的生成流程；
图4为本发明中微体系结构设计中统一译码结构示意图；
图5为本发明中微体系结构设计中分离译码结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细的描述，以进一步说明本发明的目的、方案及功效。
本发明基于不降低程序运行性能的考虑，提出了一种新的细粒度混合编码的方法。以5级流水的32位单发射处理器为例，给定32位和16位指令系统，不增加程序执行周期，最好的保证就是不要增加动态执行的指令数。在不增加动态执行的指令数的前提下，混合编码能够达到的最佳效果是，在最终的目标程序中，一条指令所表示的操作如果在16位中也可以由一条指令来表示，则该指令使用16位编码；否则，仍然使用32位编码。因此，需要提供一种不需要耗费处理器周期的方法，在需要状态切换的时候通知CPU。本发明提出一种无损切换机制，在宽指令系统(原指令系统)中引入两个精简的状态切换指令集合，分别为“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合。该状态切换指令集合里的指令在程序中频繁出现，其在执行普通操作(例如加法、跳转等)的同时，还能起到切换处理器状态的作用。其中，“宽-窄”状态切换指令集合中的指令在32位指令的程序中频繁出现，在执行如加法、跳转等普通操作的同时，还能起到将处理器状态切换至窄指令状态的作用；“窄-宽”状态切换指令集合则在可用16位指令表示的程序片段最后频繁出现，同样在执行加法等普通操作的同时，可将处理器状态切换至宽指令状态。“宽-窄”状态切换指令集合和“窄-宽”状态切换指令集合中包含的指令的普通操作功能可以有交集，甚至完全一致。本发明以UniCore体系结构为例设计并实现了这样一个平台，取得了不错的效果，但本发明的机制并不限于UniCore体系结构，其同样适用于其它体系结构。参考图1～图3，具体方法如下。
步骤S10：状态切换指令的选取
状态切换指令可以由代码分析工具来选择。由于状态切换指令的选择依赖于产生代码的编译器，尤其需要考虑在用来表示寄存器号的位域不足以表示全部寄存器时，一条指令要表示哪组寄存器，因此所分析的二进制代码和最终在系统上运行的代码最好是使用相同的编译器和编译优化选项。可以选择的状态切换指令总数确定下之后，及确定下了状态切换指令需要多少位表示操作码和操作数。设状态切换指令可用的操作数类型编码空间为m位。参考图2，描述了状态切换指令的选取流程图，本发明使用如下的方法选择状态切换指令。
步骤S101：代码分析工具维护两块存储空间WNINST[OP][ARGTYPE]和NWINST[OP][ARGTYPE]来分别记录“宽-窄”状态切换的候选指令和“窄-宽”状态切换的候选指令的权重。指令被根据操作码和操作数类型进行分类。对于每个操作码，本发明根据它可以带有的操作数组合的不同进一步分为若干类，如下表1所示为常见精简指令系统计算机(RISC)指令格式分类：