计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_第3部分_-2张版.pdf

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1、计算机组成原理(2012级)计算机组成原理课程组（刘旭东、肖利民、牛建伟、栾钟治）第六讲MIPS处理器设计一．处理器设计概述二．MIPS模型机三．MIPS单周期处理器设计1.单周期数据通路设计2.单周期控制器设计3.单周期性能分析四．MIPS多周期处理器设计1.多周期数据通路设计2.多周期控制器设计3.多周期性能分析24.1MIPS多周期数据通路设计∑为什么不使用单周期实现方式？¾单周期设计中，时钟周期对所有指令等长¾而时钟周期由计算机中可能的最长路径决定，如：取数指令¾但某些指令类型本来可以在更短时间内完成，如：跳转指令∑多周期方案¾将指令执行分解为多个步骤，每一步骤一个时钟周期，则指令执行

2、周期为多个时钟周期，不同指令的指令周期包含时钟周期数不一样¾优点：°提高性能：不同指令的执行占用不同的时钟周期数°降低成本：一个功能单元可以在一条指令执行过程中使用多次，只要是在不同时钟周期中（这种共享可减少所需的硬件数量）34.1MIPS多周期数据通路设计∑多周期数据通路设计总体考虑¾普林斯顿结构：指令和数据使用同一个存储器¾共享一个ALU：°R型指令算术逻辑运算、取指令后形成PC+4新值、及Beq指令转向地址计算（PC+Signext(imm16)<<2），都在ALU中完成¾时钟同步方法：°一个时钟周期内，信号总是从一个状态单元，经过组合逻辑处理后，传送到另一个状态单元°指令每一步的执行，

3、总是从前一个状态单元接收输入，经过功能单元处理，在下一个时钟周期触发沿将结果写入下一个状态单元°因此，数据通路中需要增加一个或多个寄存器，以保存指令各执行步骤形成的结果（输出值），以便在指令的后续时钟周期内继续使用¾组合逻辑操作时钟周期内完成；¾所有信号在时钟周期内从状态单元1经组合逻辑传送到状态单元2。¾时钟信号上跳沿同步44.1MIPS多周期数据通路设计1.R型指令多周期分析©R[rd]ÅR[rs]opR[rt]步骤RTL描述执行部件备注IRÅM[PC]存储器增加一个寄存器保取指令存指令：IRPCÅPC+4ALU增加两个寄存器保读寄AÅR[IR[25:21]]寄存器堆存读取的数据R[rs]

4、存器BÅR[IR[20:16]]和R[rt]：A、B增加一个寄存器保计算ALUOutÅAopBALU存ALU结果：ALUOut写寄R[IR[15:11]]ÅALUOut寄存器堆完成寄存器存器数据写入54.1MIPS多周期数据通路设计2.Lw指令多周期分析©R[rt]ÅM[R[rs]+signext(imm16)]步骤RTL描述执行部件备注IRÅM[PC]存储器指令寄存器IR用于取指令PCÅPC+4ALU保存读取的指令读寄寄存器A保存从读AÅR[IR[25:21]]寄存器堆存器取的数据R[rs]计算ALUOutÅA+ALUOut保存计算ALU地址signext(IR[15:0])得到的内存地址访

5、问存增加一个寄存器保DRÅM[ALUOut]存储器储器存数据：DR写寄R[IR[20:16]]ÅDR寄存器堆完成寄存器存器数据写入64.1MIPS多周期数据通路设计3.Sw指令多周期分析©M[R[rs]+signext(imm16)]ÅR[rt]步骤RTL描述执行部件备注IRÅM[PC]存储器指令寄存器IR用于取指令PCÅPC+4ALU保存读取的指令寄存器A保存从读读寄AÅR[IR[25:21]]寄存器堆取的数据R[rs]存器计算ALUOutÅA+ALUOut保存计算ALU地址signext(IR[15:0])得到的内存地址访问存把数据R[rt]写入存M[ALUOut]ÅR[IR[20:16]

6、]存储器储器储器74.1MIPS多周期数据通路设计4.Beq指令多周期分析©If((R[rs]-R[rt])==0)thenPCÅPC+4+signext(imm16)<<2elsePCÅPC+4©问题：ALU要完成PC+4，PC+signext(imm16)<<2，R[rs]-R[rt]三次运算操作，需要在三个不同时钟周期内实现，如何合理安排？步骤RTL描述执行部件备注IRÅM[PC]存储器第一周期后PC+4取指令PCÅPC+4ALU完成，PC为新值读寄存AÅR[IR[25:21]]ALU计算转向目标器/计寄存器堆BÅR[IR[20:16]]地址，保存于算转向ALU地址ALUoutÅPC+S

7、ignext[IR[15:0]]<<2ALUOutif(A–B==0)thenALU做减法，结果完成转移PCÅALUOutALU不写入ALU，PC修改是一条件操作84.1MIPS多周期数据通路设计∑指令数据通路综合（R型指令、Lw、Sw、Beq）步骤R型指令Lw指令Sw指令Beq指令IRÅM[PC]ALU完成加法取指令PCÅPC+4结果送PCAÅR[IR[25:21]]AÅR[IR[25:21]]