【正文】 。 1） 無源操作數(shù)：都是分支跳轉(zhuǎn)指令，只有跳轉(zhuǎn)的 label 地址。 指令一般包含一個(gè)源 操作數(shù)（ Src）和一個(gè)目的操作數(shù)（ Dst）， 但設(shè)計(jì)了 多條 專用 指令包含多個(gè)源操作數(shù)。 緊接著是六位表示的操作碼（ Opcode），指令的最低位一般是表示 IF 條件。總共 35 條指令 每條指令均在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成， 分為以下幾類：移動(dòng)指令、分支跳轉(zhuǎn)指令、 ALU 指令、特殊指令， 指令集的具體描述見表 。 專用指令集 定制合適的 專用 指令集是滿足新的應(yīng)用和簡潔的微引擎結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。該方式需要付出 較 大的代碼開銷 與 較高的 位操作延遲 的代價(jià)， 盡管 這 可以被 通用處理場合 接受 ， 但是已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)處理場合 的性能要求 。 對(duì)于位操作的實(shí)現(xiàn)， 與實(shí)現(xiàn)字或字節(jié) 操作一樣 ， 首先要解決 位訪問的問題， 然后 才能 實(shí)行 位 操作 ，而如何找到 指令操作數(shù) 就涉及到 微引擎 指令集設(shè)計(jì)中的一個(gè) 關(guān)鍵點(diǎn) ——指令尋址方式 的設(shè)計(jì) 。一方面，因?yàn)?網(wǎng)絡(luò) 的分組數(shù)據(jù) 的處理 很少使用 浮點(diǎn)操作 ， 且 浮點(diǎn)操作 指令 的實(shí)現(xiàn)較為 復(fù)雜 ， 所以 微引擎 的指令集 設(shè)計(jì) 不包含 浮點(diǎn)的操作。 轉(zhuǎn)發(fā)微引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 15 第 3章 轉(zhuǎn)發(fā) 微引擎設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 指令集 設(shè)計(jì) 不同于 通用 處理器的指令集 設(shè)計(jì) ， 網(wǎng)絡(luò)處理器 中 微引擎處理單元的指令集 設(shè)計(jì) 必須 符合網(wǎng)絡(luò)處理的特點(diǎn)。微引擎的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式一般可以分成基于 RISC 核、 VLIW 核以及數(shù)據(jù)流處理等三種類型； 微引擎的指令集架構(gòu) 可分為電子科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文 14 CISC 和 RISC， 微引擎處理單元的指令集必須同時(shí)適合于數(shù)據(jù)平面和控制平面。 并引出了本課題的研究內(nèi)容 —— P1600 網(wǎng)絡(luò)處理器，接著對(duì) P1600的四類微引擎 —— 解析、搜索、轉(zhuǎn)發(fā)、修改 進(jìn)行了詳細(xì)分析。 因此 大大提高指令流水線的指令流出率， 從而提高了處理器的性能 。超標(biāo)量處理器是指為提高標(biāo)量指令的執(zhí)行性能而設(shè)計(jì)的一種計(jì)算機(jī)。 流水線暫停 是 解決 控制 沖突最簡單有效的方法。 3）控制沖突。 當(dāng)指令在流水線重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令執(zhí)行的結(jié)果而發(fā)生的沖突。通常采用相應(yīng) 的指令調(diào)度策略或增加硬件資源 來減小 沖突的 影響。 流水線的沖突一般有以下三種類型： 1）結(jié)構(gòu)沖突。 以 傳統(tǒng)的五級(jí)流水線 為例 ， 指令的執(zhí)行過程細(xì)分為取指（ IF） 、譯碼 （ ID） 、執(zhí)行 （ EX） 、訪問存儲(chǔ)器 （ MEM） 和寫回寄存器堆 （ WB） 5 個(gè)子過程，如圖 所示。 其中 組合邏輯構(gòu)成的 流水段 負(fù)責(zé) 進(jìn)行運(yùn)算和處理，而 由 相鄰流水級(jí)之間 的寄存器 來 暫存中間 運(yùn)行 結(jié)果。指令 級(jí) 并行需要采用流水線技術(shù) 和超標(biāo)量技術(shù)。 微引擎 并行技術(shù) 并行技術(shù)可以有效地提高 微引擎 的處理能力，按照并行性等級(jí)從高 到低 可分為：線程級(jí)并行 、數(shù)據(jù)級(jí)并行、指令級(jí)并行以及指令內(nèi)部的微操作并行 。 網(wǎng)絡(luò)處理器中的微引擎 一般負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù)平面的處理 （ 如 包 分類、 查找、轉(zhuǎn)發(fā)等 ） ，雖 然此類操作 較為簡單 但必須 保證操作延遲較低 ；而 一般由 片上的通用處理器來完成 控制平面的處理（ 如 系統(tǒng)信息維護(hù) 、 協(xié)議處理 等 ） ，這類操作較為復(fù)雜，但是通常每個(gè)分組 并不是 必須進(jìn)行。 RISC 注重 簡化指令系統(tǒng)，優(yōu)先選 擇 使用頻率最高的 且不復(fù)雜的指令 ；減少指令格式 種類 和尋址方式種類； 采用等長 指令，指令 內(nèi)部 各字段的劃分比較一致 且 各字段的功能較為 規(guī)整； 控制大部分指令在單周期內(nèi)完成； 采用 專用 指令 （ Load/Store） 訪問存儲(chǔ)器 ， 而安排其余 指令在寄存器之間進(jìn)行 操作 ；增加通用寄存器數(shù)量， 可用于 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)存?。徊捎酶呒?jí)語言編程 并進(jìn)行 編譯優(yōu)化，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。但由于指令格式 復(fù)雜 ，尋址模式 多種 多樣， 不僅增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜 度 而且執(zhí)行工作效率較差 。 早期的計(jì)算機(jī) 都采用 CISC 架構(gòu)， 設(shè)計(jì) CISC 的目的是希望花費(fèi)盡量 少的 指令開銷 完成所需 處理 任務(wù)。所以，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是微引擎設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn) 。采用這種 架構(gòu) 的 NP 產(chǎn)品 也 并不多， 例如 Xelerated 的 X11/X10q 網(wǎng)絡(luò) 處理器 。 電子科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文 12 3） 基于數(shù)據(jù)流處理 單元核 心 。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 低功耗、低 設(shè)計(jì)復(fù)雜度 與高性能 。 2） 基于 VLIW （ Very Long InstructionWord，超長指令字） 核 心 。 由于 RISC 處理器不僅設(shè)計(jì)難度相對(duì)較小 ， 而且 精簡 指令集 有 益于 CPU 跑到更高的 時(shí)鐘 頻率 ， 目前 已經(jīng)得到廣泛使用 ，包括 IBM 的 PowerNP 系列 、 Intel 的 IXP12xx/24xx 系列等等。 微引擎 的 架構(gòu) 有 以下三種 實(shí)現(xiàn)方式 。其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)如圖 : 網(wǎng)絡(luò)處理器微引擎研究 11 I n r e s o l v eO u t r e s o l v eM o d i f y 0 m o d i f y nf r a m e m e m o r y 0r e s u l t m e m o r y 0r e s u l t m e m o r y n1 2 8F r a m e m e m o r yR X 5 1 26 4 6 41 1 1 7 8 7H T F DE T F DE x t e r m a l H o s t3 2S t a t i s t i c s B l o c k3 2. . .1 2 81 2 8O Q1 1 1f r a m e m e m o r y 05 1 21 2 8 1 2 86 4 6 43 25 1 25 1 2R F DR XT XF r a m e m e m o r yF r a m e m e m o r yT X 5 1 2S e a r c h 11 2 8 圖 修改微引擎組織結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)處理器 微引擎設(shè)計(jì)技術(shù)研究 微引擎處理 單元 架構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)處理器 是 利用多個(gè) 微引擎 處理單元并行工作來提供強(qiáng)大的處理能力，因此作為 NP 核心的 微引擎 的必須 具備處理 高效、 設(shè)計(jì) 簡單 以及編程容易等特點(diǎn) 。能在任何微引擎階段為多播應(yīng)用復(fù)制數(shù)據(jù)包。 其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)如圖 : I n r e s o l v eO u t r e s o l v eR e s o l v e 0 R e s o l v e no u t m e m o r y no u t m e m o r y 0r e s u l t m e m o r y 0r e s u l t m e m o r y n1 2 86 4 6 4S e a r c h 1 r e s u l t s amp。 電子科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文 10 Resolve 是一個(gè)可編程的處理器，每個(gè)周期執(zhí)行 1 個(gè)微碼指令。 Resolve 的決定和修改指令， 被編譯到一個(gè)消息中，傳到 Modify。 Resolve 還能更新數(shù)據(jù)流條目的狀態(tài)，向搜索結(jié)構(gòu)（只支持 hash）中學(xué)習(xí)新的條目。它 決定了幀的目的、優(yōu)先級(jí)、格式以及內(nèi)容的改變。 主要支持的表結(jié)構(gòu)是 FastIP 表、 Hash 表、直接訪問表、 Tree 表及其組合，其中當(dāng)采用組合方式查表需要微碼支持，即在 Searchl 上需要編寫微碼指令。 將該部分解析的內(nèi)容以消息 （ massages） 的方式發(fā)送給 Resolve 和以 關(guān)鍵字 （ keys） 的方式寫入 HREG 供 Searehl 查表使用，每次最多可以發(fā)送 16 條消息 /關(guān)鍵字 ， Parse 也可以實(shí)現(xiàn)簡單的查表和統(tǒng)計(jì)功能 。數(shù)據(jù)包的順序由每個(gè)端口自動(dòng)維護(hù) 。微引擎處理器采用共享的資源，而沒有連到一個(gè)物理端口。在相同流水段的多個(gè)微引擎 能 完成 多個(gè)數(shù)據(jù)包并行處理。 網(wǎng)絡(luò)處理器微引擎研究 7 I F D M AP a r s e M E 組 ( 4 個(gè) )S e a r c h 1M E 組 ( 4 個(gè) )R e s o l v eM E 組 ( 4 個(gè) )S e a r c h 2M E 組M o d i f yM E 組 ( 4 個(gè) )I n t e r n a l S e a r c h M e m o r yI n t e r n a l F r a m e M e m o r y( R X 、 T X )E x t e r n a l S e a r c h M e m o r y( D D R 3 S D R A M )S t a t i s t i c s M e m o r y( Q D R I I S R A M )I C F D _ Q1 0 G M A C _ R1 0 G M A C _ RI N C o n t r o l M e m o r yE B D M A E C F D _ QI n g r e s s _ i nE g r e s s _ i nI n p u t a r b i t e rI B D M AO _ Q1 0 G M A C _ T1 0 G M A C _ TE F D M AE T F D _ QI n g r e s s _ o u tE g r e s s _ o u tA r b i t e rA r b i t e rS R H _ QK e y sI N D E X _ QR F D T a b l e（ R X 、 T X ）F S P _ QO U T C o n t r o l M e m o r yP a c k e t P r o c e s s i n gR e s u l t sK e y sR e s u l t sS t a t i s t i c sB l o c k( A r b i t e r )S T A T _ M S G _ QA r b i t e rP C I E E n d P o i n t控 制 器H T F DH D M AF r a m e p o i n t e r F r a m e p o i n t e rD D R C o n t r o l l e rQ D R C o n t r o l l e rH o s t圖 P1600 網(wǎng)絡(luò)處理器結(jié)構(gòu)框圖 微引擎構(gòu)成的功能流水線以一種類超標(biāo)量 結(jié)構(gòu) 運(yùn)行， 能把數(shù)據(jù)包的消息和指針從一個(gè)處理階段傳到下一個(gè)階段。大容量的代碼存儲(chǔ)器可用于支持多個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用，同時(shí)為增加新性能提供擴(kuò)展空間。 網(wǎng)絡(luò)處理器 芯片使用一個(gè)簡單的單鏡像編程模 型，沒有并行編程或多線程。該網(wǎng)絡(luò)處理器硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖 。這減少了復(fù)雜數(shù)據(jù)包操作需要的時(shí)鐘周期數(shù)目，提供相當(dāng)快速的數(shù)據(jù)包處理?？删幊痰奈⒁婧瓦@些任務(wù)一一對(duì)應(yīng)，相當(dāng)快速地執(zhí)行各自的任務(wù)。 分 組 轉(zhuǎn) 發(fā)處 理 單 元 1處 理 單 元 2處 理 單 元 N交 換 矩 陣分 組 轉(zhuǎn) 發(fā)處理單元1處理單元2處理單元N交 換 矩 陣串 行 模 式 并 行 模 式分 組 轉(zhuǎn) 發(fā)處 理 單 元 1 處 理 單 元 1處 理 單 元 2 處 理 單 元 2處 理 單 元N處 理 單 元N交 換 矩 陣混 合 模 式 圖 微引擎單元組織結(jié)構(gòu)圖 本課題中 P1600 網(wǎng)絡(luò)處理器 芯片中 的 微引擎 采用流水處理模式， 組整合 多個(gè)高速處理器，每個(gè)都被優(yōu)化執(zhí)行一個(gè)特殊的任務(wù)。 3） 混合 模式 。缺點(diǎn)是處理單元 之間 關(guān)鍵資源 的競爭（如指令存貯、共享總線等） 。 2） 并行多處理模式。其優(yōu)點(diǎn)是 可 簡化 處理單元并 針對(duì)特殊的 網(wǎng)絡(luò) 處理 需求 進(jìn)行定制 ，同時(shí)化解了共享資源的訪問沖突問題。 如圖 ， 其 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 可以分成如下三種： 1） 串行 流水處理模式。 第五章，對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并展望了未來工作。 第四章，針對(duì)第三章設(shè)計(jì)的微引擎，設(shè)計(jì)了 UVM 驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。然后對(duì)微引擎的設(shè)計(jì)技術(shù)：處理單元架構(gòu)、指令集架構(gòu)、并行技術(shù)等進(jìn)行了研究。 然后分析了國內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并簡單介紹了本文的研究內(nèi)容和論文的主要章節(jié)安排。 論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究工作都是圍繞一款自主 研 發(fā)的 萬兆網(wǎng)絡(luò)處理器 P1600中 微引擎 的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證展開的。 2020 年華為 就 率先 在推出的 NE40 系列 和 NE80 系列核心路由器產(chǎn)品 上使用網(wǎng)絡(luò)處理器 ， 并 取得 不錯(cuò)的市場份額 。 國內(nèi)方面，我國在 網(wǎng)絡(luò)處理器 芯片 研究和開發(fā) 方面跟 國外研究發(fā)展有 較大的差距。 目前 市場份額較大的 網(wǎng)絡(luò)處理器開發(fā)商 有 AMCC、 IBM、 Intel 、 Broad 等 ， 推出的典型 產(chǎn)品有 M