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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(gè)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層次結構和編譯器后端結構。 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的設計與制造，卻成了幾代計算機工作者的未了習愿，也給國家的安全帶來(lái)了隱憂(yōu)。順應潮流，中芯微系統公司于2001年推出了國內第一顆實(shí)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，超流水結構，主頻能達到600MHz以上，在嵌入式CPU領(lǐng)域走到國際前列。 傳統的32位計算機處理64位運算通常是設計具體的邏輯電路實(shí)現。隨著(zhù)SoC（System on Chip）的出現，芯片上集成各種功能部件越來(lái)越多，特別對于嵌入式系統，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(lái)實(shí)現。對于64位長(cháng)字運算軟件實(shí)現的方法通常有兩種：一是設計系統軟件供操作系統內核調用；二是在相關(guān)的編譯器中設計指令模板來(lái)解決。前者執行效率高，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(shí)際采用在編譯器中設計指令模板予以解決。 2 32位RISC體系嵌入式CPU層次結構描述 圖1是一個(gè)集成了DSP（數字信號處理器）嵌入式CPU的層次圖。 從圖1可看到，編譯器在整個(gè)CPU結構中處于A(yíng)SIC硬件電路之下和操作系統之上，擔負著(zhù)將高級的、抽象的表達式轉化為相對低級的表達式，最終生成系統指令集。 3 CPU編譯器后端結構 CPU編譯器分為前端和后端：前端主要完成詞法/語(yǔ)法分析并生成語(yǔ)法樹(shù)，這里不再論述；后端是編譯的主體部分，它將語(yǔ)法樹(shù)轉換成不間語(yǔ)言，在此不間語(yǔ)言基礎上進(jìn)行各種編譯優(yōu)化，最終生成匯編指令代碼。編譯后端在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中要跟具體的目標機的機器描述文件多次匹配，生成RTL語(yǔ)言（Register Transfer Language）—GNU CC的中間語(yǔ)言。 機器描述文件由各種與目標機有關(guān)的指令模板、功能模板、C語(yǔ)言形式的預處理函數等構成。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(lái)解決的，過(guò)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(lèi)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(jìn)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據類(lèi)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位加并設置進(jìn)位 emit_insn(gen_addsi3_use_carry(high[0],high,high)); //高32位加并處理進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行格式轉換，它將調用編譯內部一套專(zhuān)門(mén)的函數和數據結構作為接口，生成gen_開(kāi)頭的預處理函數對指令模板作進(jìn)一步的處理，再生成由insn_開(kāi)頭的函數對模板作匹配后生成匯編代碼。 結語(yǔ) 在方舟二號CPU上測試的結果達到了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(jìn)行定點(diǎn)運算測試，可達280MIPS以上，收到了較好的預期結果。 |
