專利名稱：嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于嵌入式處理器設(shè)計領(lǐng)域，具體來說，涉及一種Java處理 器微碼指令集動態(tài)裝載技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的Java處理器或Java協(xié)處理器將本地指令集固化在芯片之中， 無法對指令集進行優(yōu)化。對于通用處理器，如PC中的處理器，此種方法 可以滿足應(yīng)用需求，因為基于通用處理器的上層應(yīng)用，是由功能十分完 善的操作系統(tǒng)支持。而Java處理器常被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，考慮到運 行速度和系統(tǒng)成本，與其對應(yīng)的操作系統(tǒng)或控制功能相對簡單，且針對 不同的應(yīng)用場合需要作相應(yīng)的調(diào)整。
操作系統(tǒng)執(zhí)行程序的過程直接映射到系統(tǒng)底層的本地指令集執(zhí)行的 過程。當前的Java處理器或Java協(xié)處理器已將本地指令集固化到芯片之 中，無法針對不同的嵌入式應(yīng)用環(huán)境進行指令優(yōu)化，也無法開發(fā)針對不 同環(huán)境的、用戶定制的指令段，將其添加到系統(tǒng)當中。嵌入式系統(tǒng)的實 時、可靠、便攜等要求受到了限制。
現(xiàn)有的一些"動態(tài)裝載"解決方案都是基于FPGA技術(shù)的，因其硬 件的可配置性可以滿足Java處理機制的重構(gòu)。不過這些解決方案都必須 通過HDL代碼的更改，對FPGA進行重新編程才可以實現(xiàn)，不是真正意
義上的動態(tài)裝載。且FPGA的成本和性能，與專用處理器相比，也不適 合作為批量生產(chǎn)的產(chǎn)品使用到嵌入式系統(tǒng)當中，只能作為研發(fā)過程中的 驗證平臺。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上的不足，本發(fā)明提出了一種嵌入式Java處理器微碼指令集 動態(tài)裝載方法。通過微碼指令集(即本地指令集)的動態(tài)優(yōu)化和裝載， 可更好地滿足嵌入式系統(tǒng)實時、可靠、便攜等的要求。利用對實現(xiàn)各個 Java字節(jié)碼的微碼指令段的優(yōu)化，可以不斷提高系統(tǒng)運行的速度。同時， 增加用戶自定義的微碼指令段，可以很方便地對指令的功能進行擴充， 提升嵌入式系統(tǒng)的性能。更為常用的是，通過微碼指令集的動態(tài)裝載， 可以任意改變嵌入式系統(tǒng)的啟動代碼，在硬件的最底層滿足了不同應(yīng)用 場合的需求，便捷高效。
一種嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方法，它的步驟包括-
1) 系統(tǒng)上電；
2) 裝載模塊選中外部存儲器的控制器，并指向外部存儲器的全零地
址；
3) 裝載模塊讀取外部存儲器當前地址的數(shù)據(jù)，并存儲在裝載模塊內(nèi) 部的臨時寄存器之中，裝載模塊的計數(shù)器進行一次加1操作，外部存儲 器的控制器指向下一個地址；
4) 裝載模塊根據(jù)芯片內(nèi)部存儲器的位寬和容量確定微碼拼接所需讀 取外部存儲器的次數(shù)，每讀取一次外部數(shù)據(jù)，都暫存在裝載模塊的臨時 寄存器，進行拼接；
5) 裝載模塊將拼接完成后的整組數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)部存儲器，同時指向 內(nèi)部存儲器的地址進行加1操作，指向下一個內(nèi)部存儲單元；
6) 重復3) _5)的步驟，直到所有的處理器微碼指令集寫入完成；
7) 執(zhí)行系統(tǒng)啟動代碼。
所述裝載模塊選取模塊優(yōu)先級可控的總線技術(shù)，使裝載模塊優(yōu)先級 高于主核，優(yōu)先考慮AMBA總線。
所述外部微碼存儲器可選取不同位寬的Flash存儲器。 所述內(nèi)部存儲器使用SRAM技術(shù)或Flash (EEPROM)技術(shù)。 本發(fā)明的有益效果
1) 在其它平臺上運行的Java程序同樣可以在該平臺上運行，保證上 層應(yīng)用的通用性。
2) 針對不同嵌入式應(yīng)用環(huán)境可以對本地指令集進行即時的更新優(yōu) 化，比其它Java處理器更有專用性。如精簡指令集，去除該系統(tǒng)無需使 用的微碼段，使系統(tǒng)有更多空間存放啟動用微碼程序。或是設(shè)計出更為 高效的實現(xiàn)字節(jié)碼的微碼段后，可以隨時更新原有的相應(yīng)微碼段。
3) 可開發(fā)用戶自定義的本地微碼指令段，使處理器效率得以提升。 其它已將本地指令集固化在芯片內(nèi)的處理器無法實現(xiàn)。如嵌入一段時間 相加的代碼，替代基本的整數(shù)相加代碼，可以快速實現(xiàn)時間相加。
4) 可按照需求開發(fā)功能強大的系統(tǒng)啟動代碼，并且可隨時更新。而 其它Java處理器若需完成相應(yīng)內(nèi)容，必須有操作系統(tǒng)的支持。相比而言， 無需操作系統(tǒng)可實時更新的啟動代碼更為便捷與高效。


圖1為微碼指令集動態(tài)加載流程圖2為微碼指令讀寫示意圖3為微碼指令動態(tài)裝載結(jié)構(gòu)示意圖。
具體賣施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的闡述。
微碼指令集動態(tài)加載過程如圖1所示，在系統(tǒng)上電后，指令裝載模 塊會從外部的存儲器中讀取事先存放好的指令集代碼。經(jīng)過裝載模塊的 內(nèi)部地址映射機制，將相應(yīng)的微碼指令寫入到芯片內(nèi)部的各個存儲器及 寄存器。當所有的微碼指令均已正確存放到芯片內(nèi)部對應(yīng)的存儲器和寄
存器后，裝載模塊則輸出表示初始化完成的信號，此時處理器接收到初 始化完成的有效信號后，即開始執(zhí)行片內(nèi)的系統(tǒng)啟動代碼，進而執(zhí)行其 它程序。
在圖1中，表示為"微碼拼接"的過程以虛線框畫出。該過程主要 是解決芯片外部和芯片內(nèi)部存儲器位數(shù)不一的問題。若片外的存儲器為8 位，片內(nèi)的存儲器亦為8位，則微碼的導入可以直接通過地址映射完成; 若片外的存儲器為8位，而片內(nèi)的存儲器為ll位，則裝載模塊需要對片 外存儲器讀取兩次后，拼接成16位數(shù)據(jù)，再截取其有效的11位數(shù)據(jù)寫 入到芯片內(nèi)部。所以，該子模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)拼接的功能，若芯片內(nèi)外存 儲器位數(shù)相同，該子模塊可以省略。
圖2中顯示了 Java微碼指令集讀取、拼接、寫入的詳細過程。系統(tǒng)
上電后，裝載模塊選中外部存儲器的控制器，并指向外部存儲器的全零 地址。從全零地址開始讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后地址順序加1，繼續(xù)讀取下 一個數(shù)據(jù)。
芯片內(nèi)部的存儲器位寬與容量已固定，所以根據(jù)當前正在初始化的 內(nèi)部存儲器，可以判斷拼接成一組內(nèi)部數(shù)據(jù)所需讀取外部存儲器的次數(shù)。 每讀取一次外部數(shù)據(jù)，都會暫存在裝載模塊的臨時寄存器，進行拼接。 拼接完成后，即將整組數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)部存儲器，同時指向內(nèi)部存儲器的 地址進行加l操作，指向下一個內(nèi)部存儲器地址。
如圖2中所示，外部存儲器為8位數(shù)據(jù)位寬，內(nèi)部存儲器位數(shù)最寬 為32位，所以臨時寄存器亦為32位。當前初始化的內(nèi)部存儲器1為32 位寬，所以需要從外部讀取4次數(shù)據(jù)，拼接為32位后再寫入到內(nèi)部存儲 器1內(nèi)。又如當前正在初始化內(nèi)部存儲器2，該存儲器為24位寬，則只 需讀取3次外部數(shù)據(jù)即可拼接為24位，讀取24位外部數(shù)據(jù)存放到臨時 寄存器的低24位后，高8位無需處理，只需將內(nèi)部存儲器2的數(shù)據(jù)線和 臨時寄存器的低24位連接，即可達到數(shù)據(jù)截取的目的。
裝載模塊中含有一個計數(shù)器，每讀取一次外部數(shù)據(jù)，計數(shù)器的值則 進行一次加1操作。因為內(nèi)部存儲器的位寬和容量已固定，所以需要讀 取外部存儲器的次數(shù)很容易就可以計算出來。使用計數(shù)器的目的在于， 產(chǎn)生控制當前初始化的內(nèi)部存儲器的片選信號，以及判斷臨時寄存器中 的有效位數(shù)(或拼接次數(shù))。
如圖2所示，假設(shè)內(nèi)部存儲器l的容量為64個字，內(nèi)部存儲器2的 容量為128個字，內(nèi)部存儲器3的容量為128個字。對應(yīng)各個存儲器的 位數(shù)，內(nèi)部存儲器1需要讀取4次外部數(shù)據(jù)拼接為一個32位數(shù)，內(nèi)部存
儲器2需要讀取3次外部數(shù)據(jù)拼接為一個24位數(shù)，內(nèi)部存儲器3需要讀 取2次外部數(shù)據(jù)拼接為一個11位數(shù)。則初始化內(nèi)部存儲器1所需讀取外 部數(shù)據(jù)的次數(shù)為64*4，即256次。所以當計數(shù)器計數(shù)到256時，內(nèi)部存 儲器1己完成初始化，即釋放內(nèi)部存儲器1的片選信號，使內(nèi)部存儲器2 的片選有效，同時內(nèi)部地址清零，相當于從內(nèi)部存儲器2的零地址開始 計算。以此類推，內(nèi)部存儲器2所需讀取外部數(shù)據(jù)的次數(shù)為128*3，即 384次。所以當計數(shù)器計數(shù)到256+384，即640時，內(nèi)部存儲器2初始化 完畢，進而對內(nèi)部存儲器3進行初始化。當計數(shù)器計數(shù)到896 (640+256) 時，即內(nèi)部存儲器全部初始化完畢，則輸出結(jié)束信號，系統(tǒng)開始執(zhí)行啟 動代碼，進入正常工作狀態(tài)。
圖3中省略了 Java處理器的其余模塊，可更清楚地顯示出裝載模塊 和主核以及外部存儲器的邏輯關(guān)系。系統(tǒng)上電后，作為當前的主控制模 塊——裝載模塊，選中閃存控制器，從外部讀取數(shù)據(jù)。并將拼接好的數(shù) 據(jù)，逐組寫入到Java主核的各個片內(nèi)寄存器，如跳轉(zhuǎn)表、偏移表、微碼 表等。當Java主核內(nèi)的各個存儲器都初始化完成后，裝載模塊釋放控制 權(quán)，此時Java主核充當主控制模塊，系統(tǒng)開始執(zhí)行啟動代碼，進入正常 工作狀態(tài)。
當系統(tǒng)上電后，因Java處理器主核中沒有任何微碼內(nèi)容，所以此時 的Java處理器無法工作。即上電后，必須讓微碼指令裝載模塊自動開始 工作。首先從外部微碼指令存儲器讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)Java處理器主核內(nèi)存 儲器的位數(shù)要求，對外部讀入的數(shù)據(jù)進行拼接或截取。然后按照指令裝 載模塊的內(nèi)部地址映射機制，將拼接或截取完成的微碼指令寫入到主核 的內(nèi)部存儲器當中。當所有片內(nèi)的存儲器都初始化完成后，Java處理器主核即可開始執(zhí)行啟動代碼，進入工作狀態(tài)。
進入正常工作狀態(tài)后的Java處理器可以按照用戶要求，編寫程序?qū)?外部的微碼指令存儲器進行更新操作。當系統(tǒng)再次復位上電后，Java處 理器即可使用更新后的微碼指令集。
實現(xiàn)該技術(shù)有幾處可替換點
1) 連接子模塊的總線技術(shù)。因系統(tǒng)上電后首先工作的是裝載模塊， 所以應(yīng)選取模塊優(yōu)先級可控的總線技術(shù)，使裝載模塊優(yōu)先級高于主核， 如AMBA總線。
2) 外部微碼存儲器?？筛鶕?jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，選取不同位寬的Flash 存儲器。如果片內(nèi)和片外存儲器位寬相同，則加載過程可以省略數(shù)據(jù)的 拼接和截取功能。
3) 內(nèi)部微碼存儲器。內(nèi)部的存儲器可使用SRAM技術(shù)或Flash (EEPROM)技術(shù)。SRAM的讀寫速度更快，但系統(tǒng)掉電后不能保存數(shù)
據(jù)；而Flash可以在系統(tǒng)掉電后保存數(shù)據(jù)，即可在指令集更新后，才進行 載入過程，否則芯片可以直接上電進入工作狀態(tài)。但Flash (EEPROM)
的數(shù)據(jù)讀寫速度相比較慢。
權(quán)利要求
1、一種嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方法，其特征在于，它的步驟包括1)系統(tǒng)上電；2)裝載模塊選中外部存儲器的控制器，并指向外部存儲器的全零地址；3)裝載模塊讀取外部存儲器當前地址的數(shù)據(jù)，并存儲在裝載模塊內(nèi)部的臨時寄存器之中，裝載模塊的計數(shù)器進行一次加1操作，外部存儲器的控制器指向下一個地址；4)裝載模塊根據(jù)芯片內(nèi)部存儲器的位寬和容量確定微碼拼接所需讀取外部存儲器的次數(shù)，每讀取一次外部數(shù)據(jù)，都暫存在裝載模塊的臨時寄存器，進行拼接；5)裝載模塊將拼接完成后的整組數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)部存儲器，同時指向內(nèi)部存儲器的地址進行加1操作，指向下一個內(nèi)部存儲單元；6)重復3)-5)的步驟，直到所有的處理器指令集寫入完成；7)執(zhí)行系統(tǒng)啟動代碼。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方 法，其特征在于，所述裝載模塊選取模塊優(yōu)先級可控的總線技術(shù)，使加 載模塊優(yōu)先級高于主核，優(yōu)先考慮AMBA總線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方 法，其特征在于，所述外部微碼存儲器可選取不同位寬的Flash存儲器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載方 法，其特征在于，所述內(nèi)部存儲器使用SRAM技術(shù)或Flash (EEPROM)技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Java處理器微碼指令集動態(tài)裝載技術(shù)，屬于嵌入式處理器設(shè)計領(lǐng)域。本發(fā)明通過在原有的處理器的基礎(chǔ)上增加了一種指令集裝載模塊。首先裝載模塊從外部存儲器讀取微碼指令，寄存在裝載模塊的臨時寄存器中，再通過微碼拼接技術(shù)解決外部存儲器和內(nèi)部存儲器位數(shù)不一的問題，最后再將拼接好的微碼指令寫入到內(nèi)部存儲器之中，當所有內(nèi)部存儲器都初始化完成，即指令集加載到芯片內(nèi)部后，系統(tǒng)開始執(zhí)行啟動代碼，進入正常工作狀態(tài)。通過本發(fā)明不僅使其它平臺的Java程序在該平臺上正確運行，保證上層應(yīng)用的通用性，還可以針對不同的嵌入式應(yīng)用環(huán)境對本地指令集進行更新優(yōu)化，實時修改啟動代碼，提高處理器效率。
文檔編號G06F9/445GK101349973SQ200810198330
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者譚洪舟, 陸許明, 陳摯睿 申請人:中山大學