一种硬件多线程处理器的研究及其FPGA实现

目前的单处理器系统基本上都是用软件实现多线程的处理.这种方式继承了软件处理的优点,如线程调度机制灵活,最大并发线程数量调整容易等.但同时也有线程切换开销大、操作系统开发代价高、可能会存在安全漏洞和用户程序编写复杂等局限性.因此,该文提出了一种基于RISC技术的硬件实现多线程管理的处理器:MTRISC,旨在通过硬件完成对线程的调度管理及处理现场的保护,减少系统进行线程切换和调度的开销.为了达到零处理时间切换的目标,采用并行对寄存器及线程执行状态等私有资源切换、保存、恢复的实现方法.系统以指令粒度并行执行各个线程,并且每个线程通过基地址与段地址错位相加的方式实现了灵活寻址.通过设置线程中断、重叠寻址空间及共享内存空间的方式进行线程间抢占切换及通讯,这种实现方式方便了线程私有资源和共享资源的保护与共享.MTRISC使用VHDL语言在Xilinx公司的XC2S200 FPGA中实现,系统最大支持8个线程.采用连续加法计算测试,与软件实现的WebitX以及RMX51相比,执行效率大约分别提高33％和40％.MTRISC的特点在于线程的调度、资源的保护均由硬件来完成,提高了系统多线程处理的效率及安全性,并降低了在多线程环境下程序开发的复杂性.实现中采用了RISC技术,进一步提高了处理器的性能.MTRISC与所有硬件实现的系统相同,存在着硬件设计复杂,调度机制不够灵活等缺点.但是,将来随着对多线程处理能力需求的增加,在很多处理系统尤其是在自身处理能力较弱的嵌入式系统中,硬件多线程处理器将会有广泛应用.

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