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介紹嵌式32位CPU在編譯器中解決64位運算的方法，并列舉一個加法運算的例子，給出可供參考的指令模板。包括32位RISC體系嵌入式CPU層次結(jié)構(gòu)和編譯器后端結(jié)構(gòu)。 1 概述 在信息化飛速發(fā)展的今天，計算機已成為人們學(xué)習(xí)和工作不可缺少的工具，我國業(yè)已取得了電腦生產(chǎn)大國的地位；但是，作為計算機的核心——CPU的設(shè)計與制造，卻成了幾代計算機工作者的未了習(xí)愿，也給國家的安全帶來了隱憂。順應(yīng)潮流，中芯微系統(tǒng)公司于2001年推出了國內(nèi)第一顆實用化的32位CPU（方舟一號），主頻達到166MHz。下一代方舟CPU將采用0.18μm工藝，超流水結(jié)構(gòu)，主頻能達到600MHz以上，在嵌入式CPU領(lǐng)域走到國際前列。 傳統(tǒng)的32位計算機處理64位運算通常是設(shè)計具體的邏輯電路實現(xiàn)。隨著SoC（System on Chip）的出現(xiàn)，芯片上集成各種功能部件越來越多，特別對于嵌入式系統(tǒng)，片上能利用的空間就列加有限，這也要求將部分功能用軟件來實現(xiàn)。對于64位長字運算軟件實現(xiàn)的方法通常有兩種：一是設(shè)計系統(tǒng)軟件供操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用；二是在相關(guān)的編譯器中設(shè)計指令模板來解決。前者執(zhí)行效率高，但每使用一次就要編譯一次；后者只需編譯一次，總的效率要高于前者。因此，實際采用在編譯器中設(shè)計指令模板予以解決。 2 32位RISC體系嵌入式CPU層次結(jié)構(gòu)描述 圖1是一個集成了DSP（數(shù)字信號處理器）嵌入式CPU的層次圖。 從圖1可看到，編譯器在整個CPU結(jié)構(gòu)中處于ASIC硬件電路之下和操作系統(tǒng)之上，擔(dān)負著將高級的、抽象的表達式轉(zhuǎn)化為相對低級的表達式，最終生成系統(tǒng)指令集。 3 CPU編譯器后端結(jié)構(gòu) CPU編譯器分為前端和后端：前端主要完成詞法/語法分析并生成語法樹，這里不再論述；后端是編譯的主體部分，它將語法樹轉(zhuǎn)換成不間語言，在此不間語言基礎(chǔ)上進行各種編譯優(yōu)化，最終生成匯編指令代碼。編譯后端在進行優(yōu)化的過程中要跟具體的目標(biāo)機的機器描述文件多次匹配，生成RTL語言（Register Transfer Language）—GNU CC的中間語言。 機器描述文件由各種與目標(biāo)機有關(guān)的指令模板、功能模板、C語言形式的預(yù)處理函數(shù)等構(gòu)成。本文涉及到的64位運算就是由RTL和指令模板多次匹配后生成匯編指令來解決的，過程如圖2所示。 限于篇幅，這里僅舉64位加法運算的部分例子，其它運算與此類似。 4 64位加法運算指令板 ① RTL識別指令模板，第一次匹配。 （define_insn “adddi3”） [(set(match_operand:DI 0 "register_operand" "=r") （plus:DI (match_operand:DI 1“register_operand”“0”) （match_operand:DI 2 "register_operand"“r”））） （clobber(reg:SI 6)）]//6號寄存器作進位使用 "") ② 將64位加法分解成高32位和低32位運算，第二次匹配。 （define_split [(set(match_operand:DI 0 "register_operand"“=r”) (plus:DI (match_operand:DI 1“register_operand”“0”) (match_operand:DI 2 “register_operand”“r”)）) （clobber(reg:SI 6)）] "reload_complete" “{ [(const_int 0)] //寄存器使用前清零 rtx low,high; //rtx為一種處理表達式的數(shù)據(jù)類型 low[0]=gen_lowpart(Simode,operands[0]); low=gen_lowpart(Simode,operands)； low=gen_lowpart(Simode,operands); high[0]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[0]-1); high=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands-1)； high=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands-1)； //由于方舟CPU地址存儲方式采用的是Big-Endian，即字節(jié)中的最高有效位具有最低序號，所以高位硬寄存器號要減1。 emit_insn(gen_addsi3_set_carry(low[0],low,low)) //低32位加并設(shè)置進位 emit_insn(gen_addsi3_use_carry(high[0],high,high)); //高32位加并處理進位 DONE； } ③ 處理低32位加。 （define_insn "addsi_set_carry" [(set(match_operand:SI 0 (match_operand:SI1 "register_operand" "r") (match_operand:SI 2 "register_operand"“r”））） （clobber(reg:SI6)）] //以下判斷是否有進位。有，則6號寄存器置1（set(reg:SI6) (itu:SI(plus:SI(match_dup 1)match_dup 2))(match_dup 1)))] "" "add\t%0,%1,%2" //生成低32位匯編模板 ） ④處理高32位加。 （define_insn "addi3_use_carry" （define_insn "adddi3_use_carry" [(set(match_operand:SI 0 "register_operand"“=r”) （plus:SI(plus:SI(match_operand:SI 1 "register_operand" "r")) (reg:SI 6))) (clobber(reg:SI 6))] “” "add%0,%1,%2;add\t%0,%0,r6" //生成高32位帶進位加匯編模板 ) 在機器描述文件中，DI為64位機器方式，SI為32位方式。該文件由機器描述處理程序進行格式轉(zhuǎn)換，它將調(diào)用編譯內(nèi)部一套專門的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為接口，生成gen_開頭的預(yù)處理函數(shù)對指令模板作進一步的處理，再生成由insn_開頭的函數(shù)對模板作匹配后生成匯編代碼。 結(jié)語 在方舟二號CPU上測試的結(jié)果達到了64運算的要求，相關(guān)的指令代碼如下： …… 132 r18,[r15,4] 132 r19,[r15,8] add r16,r16,r18 add r17,r17,r19 add r17,r17,r6 …… 用SPEC95進行定點運算測試，可達280MIPS以上，收到了較好的預(yù)期結(jié)果。 |
