计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_第1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单周期处理器设计四．MIPS多周期处理器设计2第六讲MIPS处理器设计一．处理器设计概述1.处理器的功能与组成2.处理器设计的一般方法二．MIPS模型机三．MIPS单周期处理器设计四．MIPS多周期处理器设计3ApplicationsSoftwarelayersofabstractionOSCompilerInstructionSetArchitecture（ISA

2、）InstructionWearehereHardwareProcessinglayersfordesignDatapath&ControlabstractionDigitalDesignCircuitDesign41.1CPU的功能与组成∑CPU的功能：控制指令执行∑指令执行过程¾取指：从指令存储器中读出指令并分析指令¾取数：从数据存储器读出操作数¾执行：完成指令所规定的动作（运算）∑指令执行周期（一般性概念）：CPU从指令存储器中读出指令并执行指令功能的全部时间称为指令周期。包括：¾取指周期：完成取指令操作和分析

3、指令操作所需时间；¾取数周期：从数据存储器读出操作数所需时间（包括计算操作数有效地址）；¾执行周期：完成指令所规定的动作（运算）所需时间，因指令不同而不同。51.1CPU的功能与组成∑CPU所需的功能部件¾取指令：从存储器中读出指令和分析指令（译码）°指令地址部件：指明当前要读取的指令在存储器中的地址°指令寄存部件：保存从存储器中取来的指令°译码部件：对指令进行译码¾执行指令：实现指令所规定的功能（包括取数和执行）°执行部件：ALU、寄存器等°控制信号逻辑部件：根据指令的操作性质和操作对象的地址（译码结果），在时序信

4、号配合下，产生一系列的微操作控制信号，从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件工作，实现指令所表示的功能。61.1CPU的功能与组成¾CPU内部结构（内部单总线结构）•数据通路(datapath)©运算单元©寄存器单元•控制器（CU）©指令译码器ID©控制信号生成器•内部总线71.1CPU的功能与组成∑CPU的组成¾执行单元（数据通路，datapath）°运算单元：算术逻辑运算单元（ALU）°寄存器：通用寄存器组（GPRs），标志寄存器（FR，又称程序状态字PSW），临时寄存器（TR）¾控制单元（控制器，c

5、ontrol）：°指令地址部件：程序计数器（PC－ProgramCounter）°指令寄存部件：指令寄存器（IR－InstructionRegister）°译码部件：指令译码器（ID－InstructionDecoder）°控制信号生成部件：产生计算机其他部件所需要的所有微操作控制信号，有组合逻辑和微程序等实现方式。°时序部件：产生时序信号81.1CPU的功能与组成∑数据通路¾指令执行过程中，指令数据流所经过的部件和路径总称，用以实现数据的传送、处理和存储等功能，是指令的执行部件。¾构成°组合逻辑元件（操作元件）：A

6、LU、译码器、多路选择器等°存储元件（状态元件）：存储器、寄存器等¾部件间连接方式°总线连接方式（CPU内部总线）°分散连接方式∑控制器¾对指令进行译码并生成指令执行所需的控制信号，以实现对数据通路中各部件的功能控制，以及相应路径的开关控制等，是指令的控制部件。91.1CPU的功能与组成∑简单的数据通路示例¾取指令路径°PCÆMAR°ReadMem.°MÆMBRÆIBRÆIR¾取操作数的路径°操作数地址ÆMAR°ReadMem.°MÆMBRÆALU¾运算结果保存路径°ALU结果ÆMBR°结果地址ÆMAR°WriteM

7、em.早期累加器型数据通路101.1CPU的功能与组成∑单总线数据通路示例¾取指令路径¾取操作数的路径¾运算结果保存路径°PCÆIBÆMAR°地址ÆIBÆMAR°ALU结果ÆIBÆMDR°MemR°MemR°结果地址ÆIBÆMAR°MÆMERÆIBÆIR°MÆMERÆIBÆALU°MemWControlBusDataBusAddressBusMDRoutMARoutMERinMDRinCoutMERMDRMemRMemWMARinCMARCinMERoutMEMORYInternalBus单总线R0outPCout数

8、据通路R0R0inDDinPCPCinABR1outS0R1inS1ALUPC+2R1S2R2outAinAIRIRinR2R2inFRAoutFRoutR3outR3R3in111.1CPU的功能与组成∑指令的四种基本操作¾取数：读取某主存单元的数据，并传送至某个寄存器；¾存数：将某个寄存器中的数据存入主存某个单元之中；¾传送：将某个寄存器中