MIPS流水线CPU

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1、本科实验报告课程名称：计算机组成与设计实验姓名：学院：信息与电子工程学院专业：电子科学与技术学号：314010指导教师：屈民军、唐奕2016年1月7日24一、实验目的1.了解提高CPU性能的方法。2.掌握流水线MIPS微处理器的工作原理。3.理解数据冒险、控制冒险的概念以及流水线冲突的解决方法。4.掌握流水线MIPS微处理器的测试方法。二、实验任务设计一个32位流水线MIPS微处理器，具体要求如下：1.至少运行下列MIPS32指令。（1）算术运算指令：ADD、ADDU、SUB、SUBU、ADDI、ADDIU。（2）逻辑运算指令：AND、OR、NOR、XOR、ANDI、ORI、XOR

2、I、SLT、SLTU、SLTI、SLTIU。（3）移位指令：SLL、SLLV、SRL、SRLV、SRA。（4）条件分支指令：BEQ、BNE、BGEZ、BGTZ、BLEZ、BLTZ。（5）无条件跳转指令：J、JR。（6）数据传送指令：LW、SW。（7）空指令：NOP。2.采用5级流水线技术，对数据冒险实现转发或阻塞功能。3.在XUPVirtex-ⅡPro开发系统中实现MIPS微处理器，要求CPU的运行速度大于25MHz。三、实验原理1.总体设计流水线是数字系统中一种提高系统稳定性和工作速度的方法，广泛应用于高档CPU的架构中。根据MIPS处理器的特点，将整体的处理过程分为取指令（IF

3、）、指令译码（ID）、执行（EX）、存储器访问（MEM）和寄存器会写（WB）五级，对应多周期的五个处理阶段。一个指令的执行需要5个时钟周期，每个时钟周期的上升沿来临时，此指令所代表的一系列数据和控制信息将转移到下一级处理。由于在流水线中，数据和控制信息将在时钟周期的上升沿转移到下一级，所以规定流水线转移变量命名遵守如下格式：名称_流水线级名称例如：在ID级指令译码电路（Decode）产生的寄存器写允许信号RegWrite在ID级、EX级、MEM级和WB级上的命名分别为RegWrite_id、RegWrite_ex、RegWrite_mem和RegWrite_wb。在顶层文件中，类似

4、的变量名称有近百个，这样的命名方式起到了很好的识别作用。1）流水线中的控制信号（1）IF级：取指令级。从ROM中读取指令，并在下一个时钟沿到来时把指令送到ID级的指令缓冲器中。该级控制信号决定下一个指令指针的PCSource信号、阻塞流水线的PC_IFwrite信号、清空流水线的IF_flush信号。（2）ID级：指令译码器。对IF级来的指令进行译码，并产生相应的控制信号。整个CPU的控制信号基本都是在这级上产生。该级自身不需任何控制信号。24流水线冒险检测也在该级进行，冒险检测电路需要上一条指令的MemRead，即在检测到冒险条件成立时，冒险检测电路产生stall信号清空ID/E

5、X寄存器，插入一个流水线气泡。（3）EX级：执行级。该级进行算术或逻辑操作。此外LW、SW指令所用的RAM访问地址也是在本级上实现。控制信号有ALUCode、ALUSrcA、ALUScrB和RegDst，根据这些信号确定ALU操作、选择两个ALU操作数A、B，并确定目标寄存器。另外，数据转发也在该级完成。数据转发控制电路产生ForwardA和ForwardB两组控制信号。（4）MEM级：存储器访问级。只有在执行LW、SW指令时才对存储器进行读写，对其他指令只起到一个周期的作用。该级只需存储器写操作允许信号MemWrite。（5）WB级：写回级。该级把指令执行的结果回写到寄存器文件中

6、。该级设置信号MemtoReg和寄存器写操作允许信号RegWrite，其中MemtoReg决定写入寄存器的数据来自于MEM级上的缓冲值或来自于MEM级上的存储器。2）数据相关与数据转发如果上一条指令的结果还没有写入到寄存器中，而下一条指令的源操作数又恰恰是此寄存器的数据，那么，它获得的将是原来的数据，而不是更新后的数据。这样的相关问题称数据相关。在设计中，采用数据转发和插入流水线气泡的方法解决此类相关问题。(1)三阶数据相关与转发转发条件为：（操作数A、B同时满足）①WB级指令是写操作，即RegWrite_wb=1；②WB级指令写回的目标寄存器不是$0，即RegWriteAddr_

7、wb≠0；③WB级指令写回的目标寄存器与在ID级指令的源寄存器是同一寄存器，即RegWriteAddr_wb=RsAddr_id或RegWriteAddr_wb=RtAddr_id。（2）二阶数据相关与转发（MEM冒险）转发条件：①WB级指令是写操作，即RegWrite_wb=1；②WB级指令写回的目标寄存器不是$0，即RegWriteAddr_wb≠0；③WB级指令写回的目标寄存器与在EX级指令的源寄存器是同一寄存器，即RegWriteAddr_wb=RsAddr_