摘要：介紹嵌式32位CPU在編譯器中解決64位運(yùn)算的方法，并列舉一個(gè)加法運(yùn)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)。

    關(guān)鍵詞：RTL 指令模板 編譯優(yōu)化

1 概述

在信息化飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的核心——CPU的設(shè)計(jì)與制造，卻成了幾代計(jì)算機(jī)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(shí)用化的32位CPU（方舟一號），主頻達(dá)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(dá)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(jì)算機(jī)處理64位運(yùn)算通常是設(shè)計(jì)具體的邏輯電路實(shí)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(shí)現(xiàn)。對于64位長字運(yùn)算軟件實(shí)現(xiàn)的方法通常有兩種：一是設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際采用在編譯器中設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(fù)著將高級的、抽象的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為相對低級的表達(dá)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(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)化的過程中要跟具體的目標(biāo)機(jī)的機(jī)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(jī)器描述文件由各種與目標(biāo)機(jī)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(yùn)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(yùn)算的部分例子，其它運(yùn)算與此類似。

4 64位加法運(yùn)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(yùn)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[3],high[3]; //rtx為一種處理表達(dá)式的數(shù)據(jù)類型

low[0]=gen_lowpart(Simode,operands[0]);

low[1]=gen_lowpart(Simode,operands[1])；

low[2]=gen_lowpart(Simode,operands[2]);

high[0]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[0]-1);

high[1]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[1]-1)；

high[2]=gen_rtx(REG,Simode,REGNO(operands[2]-1)；

//由于方舟CPU地址存儲(chǔ)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[1],low[2])) //低32位加并設(shè)置進(jìn)位

emit_insn(gen_addsi3_use_carry(high[0],high[1],high[2])); //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 %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 %0,%0,r6" //生成高32位帶進(jìn)位加匯編模板

)

在機(jī)器描述文件中，DI為64位機(jī)器方式，SI為32位方式。該文件由機(jī)器描述處理程序進(jìn)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(jìn)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(dá)到了64運(yùn)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(yùn)算測試，可達(dá)280MIPS以上，收到了較好的預(yù)期結(jié)果。