计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_第2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23.1单周期数据通路设计∑单周期¾所有指令执行周期固定为单一时钟周期，CPI=1。∑数据通路设计考虑¾哈佛体系结构：使用指令存储区（IM）和数据存储区（DM）分别保存指令和数据¾先为每类指令设计独立的数据通路，然后再考虑数据通路合并∑指令执行的共性¾根据PC从指令存储器读取指令，取指令后，PCÅPC

2、+4；¾模型机7条指令在读取寄存器后，都要使用ALU°LW/SW（存储访问）指令：用ALU计算数据地址°ADD/SUB/AND/OR(算术逻辑)指令：用ALU完成算术逻辑运算°BEQ（分支）指令：用ALU进行比较（减法运算）33.1单周期数据通路设计∑单周期¾所有指令执行周期固定为单一时钟周期，CPI=1。∑数据通路设计考虑¾哈佛体系结构：使用指令存储区（IM）和数据存储区（DM）分别保存指令和数据¾先为每类指令设计独立的数据通路，然后再考虑数据通路合并。¾模型机指令执行过程一般会分为如下几个步骤：°取指令：根据PC，访问指令存储器获得指令，然后PC+4

3、；°读寄存器：根据指令格式，读取相应寄存器操作数°ALU运算：通过ALU完成相应的算术逻辑运算°数据存取：LW/SW指令访问数据存储器°写寄存器：运算类指令和LW指令要把数据写入寄存器¾根据每个步骤确定数据通路所需的部件和部件之间的连接关系43.1单周期数据通路设计∑分析指令执行步骤，确定数据通路所需部件和部件间连接¾模型机指令执行过程一般会分为如下几个步骤：°取指令：根据PC访问指令存储器获得指令，然后PC+4；°读寄存器：根据指令格式读取相应寄存器操作数°ALU运算：在ALU完成相应的算术逻辑运算°数据存取：LW/SW指令的数据存储器访问°写寄存器：

4、运算类指令和LW指令要把数据写入寄存器∑使用数据通路设计表格¾表格记录数据通路部件输入端的输入来源¾暂不考虑控制信号AdderIMRegistersALUDM指令PCABAdd.Reg1Reg2WregWdataABAdd.WdataAddLw53.1单周期数据通路设计——取指与PC自增1.取指和PC自增数据通路（所有指令）¾功能描述°取指：IMAddressÅPC,instruction=IM[PC]°PC自增：PCÅPC+4¾所需部件：PC，Adder（实现PC加4），指令存储器IMAdderIMRegistersALUDM指令PCAdd.ABReg

5、1Reg2WregWdataABAdd.WdataR型PC4AdderPC指令LwPC4AdderPCSwPC4AdderPCBeqPC4AdderPC63.1单周期数据通路设计——取指与PC自增1.取指和PC自增数据通路图¾功能描述°取指：instruction=IM[PC]°PC自增：PCÅPC+4¾所需部件：PC，Adder（实现PC加4），IM73.1单周期数据通路设计——R型指令数据通路2.R型指令数据通路（add,sub,and,or指令，以add为例）¾addrd,rs,rt¾功能描述°R[rd]ÅR[rs]+R[rt]¾通路部件：寄存器堆

6、、ALUAdderIMRegistersALUDM指令PCAdd.ABReg1Reg2WregWdataABAdd.WdataR型PC4AdderPCRsRtRdALURdata1Rdata2指令LwPC4AdderPCSwPC4AdderPCBeqPC4AdderPC83.1单周期数据通路设计——R型指令数据通路2.R型指令数据通路（add,sub,and,or指令，以add为例）¾addrd,rs,rt¾功能描述°R[rd]ÅR[rs]+R[rt]¾通路部件：寄存器堆、ALUALU输入输出operationAB0000A&BAB0001A

7、BAB00

8、10A+BAB0110A–B93.1单周期数据通路设计——LW指令数据通路3.取数指令（lw）数据通路¾lwrt,rs,imm16¾功能描述：°R[rt]ÅDM[R[rs]+Signext(imm16)]¾通路部件：寄存器堆，ALU，符号扩展单元Signext，数据存储器DMAdderIMRegistersALUDMSign‐指令PCAdd.extABReg1Reg2WregWdataABAdd.WdataR型PC4AdderPCRsRtRdALURdata1Rdata2指令Sign-LwPC4AdderPCRsRtDMRdata1extALUimm16

9、SwPC4AdderPCBeqPC4AdderPC103.1单周期数据通路设计—