[发明专利]一种低功耗的处理器寄存器堆控制方法

说明书

本发明公开了一种低功耗的处理器寄存器堆控制方法，包括以下步骤：在精简指令集处理器中将寄存器堆进行分组，对每组寄存器采用动态电压调节技术和时钟门控技术，并增添状态控制寄存器以控制寄存器组的供电状态和时钟门控单元的开关状态，状态控制寄存器存储的值通过控制和状态寄存器指令进行配置，使处理器以不同的寄存器组供电配置运行计算密集程度不同的程序段。本发明可以降低处理器寄存器堆的功耗。

技术领域

本发明属于处理器的低功耗设计技术领域，具体涉及一种低功耗的处理器寄存器堆控制方法。

背景技术

大量新兴应用的崛起，如可穿戴电子设备、植入式电子设备和物联网等，使得人类社会的生活方式更加便捷。但这些应用的供电却十分严格，通常只能是微型电池或诸如太阳能、电磁波甚至体温等环境能量，供电功率和能源置换受到严格限制。因此，处理器作为这些应用的“大脑”，其功耗问题日益显著。

目前，针对低功耗处理器的研究主要围绕异步电路技术、动态电压和频率调节技术、亚阈值技术和门控时钟技术等展开。虽然这些研究均取得了一些成果，它们并不是针对处理器的电路特点和具体的应用而设计的低功耗方法。

处理器运行过程中，寄存器堆消耗处理器核心绝大部分的能量。很多精简指令集的处理器包含32个整数寄存器和32个浮点寄存器，在一些低功耗处理器中这些寄存器功耗达到处理器核心的60％以上。在所有寄存器当中，很多寄存器的功能是相近或者相同的，多个相同功能的寄存器可以减少数据冲突，提高性能。但是绝大多数应用程序都不会用到所有的寄存器，甚至在一些简单的应用程序中，只有很小一部分寄存器被程序使用。此时，未被使用的寄存器会极大地增加处理器的功耗，并且不会带来任何性能提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗的处理器寄存器堆控制方法，以降低处理器寄存器堆的功耗。

本发明所采用的技术方案是，一种低功耗的处理器寄存器堆控制方法，包括以下步骤：在精简指令集处理器中将寄存器堆进行分组，对每组寄存器采用动态电压调节技术和时钟门控技术，并增添状态控制寄存器以控制寄存器组的供电状态和时钟门控单元的开关状态，状态控制寄存器存储的值通过控制和状态寄存器指令进行配置，使处理器以不同的寄存器组供电配置运行计算密集程度不同的程序段。

本发明的特点还在于，

精简指令集处理器中精简指令集包括MIPS或RISCV，精简指令集处理器具有32个32位宽的整数寄存器，编号为0-31，若精简指令集处理器支持单精度浮点指令集或双精度浮点指令集的扩展，则具有32个32位宽的单精度浮点数寄存器或32个64位宽的双精度浮点寄存器。

整数寄存器、单精度浮点数寄存器、双精度浮点寄存器在功能上类似，32个寄存器能够分别存储常量0、存储桢指针、栈指针和全局指针，存储函数参数、返回值和返回地址，存储临时变量、保存变量。

存储函数参数的寄存器数量为4个以上，存储临时变量的寄存器数量为7个以上，存储保存变量的寄存器数量为8个以上。

将寄存器堆进行分组具体步骤如下：

将32个整数寄存器、32个单精度浮点寄存器和32个双精度浮点寄存器分别按寄存器的序号依次划分为8组：0-3，4-7，8-11，…，每组包含4个寄存器，每个整数寄存器和单精度浮点寄存器为32位，每个双精度浮点寄存器为64位。

对每组寄存器采用动态电压调节具体步骤如下：

将8组寄存器的电路分别放置在8个单独的电压域中，每个电压域设置正常电压和低电压两组供电电压，通过控制两组电源门控开关的开关状态，使对应的寄存器组工作在正常电压供电状态或低电压供电状态，当某个寄存器组不需要被使用时，使其工作在低电压供电状态，从而降低寄存器堆的功耗。

对每组寄存器采用时钟门控具体如下：