1.4 指令流水線重排

　　指令流水線重排的意思是通過軟件程序中的指令重排來改變指令流水線，以此來排除由于硬件引起的指令堵塞，從而加快程序的運(yùn)行時(shí)間。這種優(yōu)化操作通常用在匯編程序中，指令流水線重排是一個(gè)一般的優(yōu)化原理，把這個(gè)原理用于不同類型的單片機(jī)可以導(dǎo)出不同的與單片機(jī)硬件相關(guān)的優(yōu)化方法。下面介紹的基于XC166單片機(jī)的優(yōu)化方法主要是應(yīng)用這個(gè)優(yōu)化原理得到的。

　　2 與芯片相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)

　　2.1 XC166指令流水線

　　XC166單片機(jī)指令流水線共有7級(jí)，前兩級(jí)為取指令流水線，后5級(jí)為執(zhí)行流水線，所有指令都必須經(jīng)過5級(jí)執(zhí)行流水線的每一級(jí)。

　　第1級(jí)--指令預(yù)取。這一級(jí)根據(jù)預(yù)測(cè)順序，把指令從程序管理單元(PMU)取出，取出的指令在跳轉(zhuǎn)檢測(cè)單元進(jìn)行前期處理，以檢測(cè)是否有跳轉(zhuǎn)，預(yù)測(cè)邏輯決定是否接收轉(zhuǎn)移。

　　第2級(jí)--取指令。根據(jù)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)規(guī)則計(jì)算出下一條被取指令的指針。對(duì)于零機(jī)器周期轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移合并單元先預(yù)處理，并將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移與正在執(zhí)行的指令結(jié)合起來。預(yù)取出的指令存在FIFO緩存器中，同時(shí)，下一條要執(zhí)行的指令輸出FIFO緩存器，進(jìn)入執(zhí)行流水線。

　　第3級(jí)--譯碼。指令被譯碼，如需要，在間接尋址模式中，寄存器文件將被訪問，以讀取通用寄存器GPR。

　　第4級(jí)--尋址。計(jì)算所有操作數(shù)地址，對(duì)于所有隱含訪問系統(tǒng)堆棧的指令，堆棧指針遞減或增加。

　　第5級(jí)--存儲(chǔ)。所有需要的操作數(shù)被取出。

　　第6級(jí)--執(zhí)行。使用已取出的操作數(shù)進(jìn)行MAC單元操作。對(duì)于非MAC單元指令，在這一級(jí)中，指令將由算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行。條件標(biāo)志被更新，執(zhí)行所有直接對(duì)CPU特殊功能寄存器CPU_SFRs進(jìn)行寫操作的指令，在間接尋址時(shí)，作為地址指針的GPRs自動(dòng)遞減或增加。

　　第7級(jí)--寫回。所有外部操作數(shù)以及剩余的，在內(nèi)部DPRAM空間內(nèi)的操作器被寫回。定位在內(nèi)部SRAM中的操作數(shù)進(jìn)入寫回緩沖區(qū)。

　　下面給出一個(gè)具體例子：

　　上面程序的指令流水線如表1所列，(Tn表示機(jī)器周期)

　　2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性排除

　　在XC166的CPU中，由于指令流水線的設(shè)計(jì)要求，在使用通用寄存器(GPRs)的指令之間存在一些數(shù)據(jù)相互依賴的情況，盡管XC166單片機(jī)已經(jīng)使用了專用硬件來檢測(cè)及解決數(shù)據(jù)相關(guān)性，但仍然有一些不可避免的數(shù)據(jù)相關(guān)性。在編程時(shí)，可以充分利用數(shù)據(jù)相關(guān)性來達(dá)到程序優(yōu)化的目的，比如，在用GPR作為間接尋址指針時(shí)，如果PGR中的地址值被改變，間接尋址操作必須等待2個(gè)機(jī)器指令周期后，才能使用GPR作為地址指針尋址。在這種情況下，可以在這2個(gè)等待機(jī)器周期內(nèi)插入2條其他單機(jī)器周期指令，充分利用這2個(gè)周期的等待時(shí)間以便程序更優(yōu)化。

　　下面舉一個(gè)例子：

　　另外一種數(shù)據(jù)相關(guān)性發(fā)生在間接尋址訪問內(nèi)存時(shí)，XC166單片機(jī)中的地址產(chǎn)生單元使用推測(cè)原理，在地址譯碼前，數(shù)據(jù)的讀取路經(jīng)將根據(jù)歷史記錄表中選出;在歷史記錄表中，每個(gè)GPR都有一個(gè)入口。這些入口記錄了用相應(yīng)GPR所訪問的內(nèi)存空間情況。如果這種預(yù)測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤，讀取操作必須重新開始。

　　因此，如果用GPR作為間接尋址，GPR最好能指向相同內(nèi)存空間。如果更新后的GPR指向不同內(nèi)存空間，下一個(gè)操作將出現(xiàn)訪問錯(cuò)誤，讀操作必須重復(fù)，這就產(chǎn)生了指令流水線堵塞。例如：

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