适用于RISC CPU的转移指令的原理及仿真

C当前的状态预测跳转是否执行，在接下来的时钟周期，标志位有效之后，再检查预测是否正确，如果不正确，就进行更正。当预测准确时，采用2BC 与BTC可以使转移指令的执行时间缩短一个周期。即使预测不准确，与不采用预测相比也不会有损失。2BC的工作原理如图2所示，初始值为Nx（第一次不跳转执行）或Tx(第一次跳转执行)，t表示跳转执行，n表示跳转不执行。当HI为N或Nx时，预测跳转不发生；当HI为T或Tx时，预测跳转发生。

2.3.2　BTC存储

　　当转移指令第一次执行时，BTC在当前时钟启动存储任务，把该指令执行的信息写入对应的单元中，对于BCC指令，确定2BC的初始状态。同时也把该行的VI置为有效。BTC采用随机替换策略确定数据入口：在复位或Cache清零之后，按顺序填充Cache，如果BTC写满，则随机选通一行进行替换。

　　2.3.3　BTC命中

　　在取指周期开始时如果发现当前取指地址包含在BTC的TAG中，并且对应行的VI也有效，则认为BTC命中，从而启动命中任务：读出命中行的数据，把DI送到指令总线，如果是CALL指令，转移目标地址作为下一条指令的地址；如果是BCC 指令则需要判断跳转是否发生：当标志位有效时，根据条件码与标志位判断，否则根据HI进行预测，然后确定下一条指令的地址：跳转时为转移目标地址，不跳转为PC+2。对于带Ａ参数的BCC指令，在跳转不执行时，要禁止DI在下一时钟进入译码级。BTC命中的流程如图3。

　　2.3.4　BTC检查

　　如果前一周期BTC命中，则在当前周期开始时启动BTC检查任务；如果前一周期BTC是根据HI预测BCC的跳转，那么在当前时钟标志位有效后，要重新判断跳转决定是否正确，如果不正确就要进行更正，给出正确的取指地址，请求在下一时钟禁止译码级或执行级。同时还要根据最终的跳转情况和HI的更新算法更新HI。BTC检查的流程图如图4。

　　
3 结论

　　整个RISC CPU用Verilog HDL语言进行了描述，并针对标准程序进行了仿真，仿真结果表明，采用上述方法处理转移指令可以明显提高流水线的吞吐率。由于在转移指令后面插入了延时槽指令，转移指令的执行与程序顺序执行时完全相同； BTC的使用虽然在硬件上增加了一些开销，但使转移指令再次执行时基本不占用流水线资源，大大提高了CPU的效率。