计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_16学时_-part3-流水线工程化方法.pdf

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1、2014-11-13第十七讲流水线处理器工程化综合方法流水线工程化综合方法基本流程基础指令集与流水线部件无转发数据通路构造方法转发数据通路构造方法功能部件控制信号构造方法冒险控制信号构造方法1北京航空航天大学计算机学院流水线数据通路建模流程提纲流水线工程化综合方法基本流程S1：构造每条指令的数据通路基础指令集与流水线部件该步骤不需要考虑转发！无转发数据通路构造方法S2：综合完整数据通路转发数据通路构造方法S3：增加转发功能部件控制信号构造方法冒险控制信号构造方法S4：生成功能部件控制信号S5：生成冒险控制信号北京航空航天大学计算机学院北京航空航天大学计算机学

2、院LWLW基础指令集与标准流水线SW基础指令集与标准流水线SWADDUADDU指令集SUBU流水线：以性能为目标的标准流水线SUBUORIORIlw，sw，addu，subu，ori，lui，beq，j：典型LUI数据冒险：转发、暂停LUIBEQBEQ指令；可以支持大多数程序需求J控制冒险：分支比较前移、转发、暂停JJALJALjal，jalr：涉及2个写入操作，PC写入，RF写入JALRJALR比较特殊的指令25:21A1=020:16A2RD100A1PC112寄存器堆22ZeroRDA30ALUARDRD201ALU指令WD10结果数据2存储器21存储器WD15:00扩展0

3、25:21120:160215:1113124+PC计算PC25:00NPCIMM北京航空航天大学计算机学院北京航空航天大学计算机学院12014-11-13流水线功能部件流水线寄存器延用单周期数据通路功能部件需要设置4级流水线寄存器按流水段分类，便于理解和记忆5级流水线的最后一级寄存器为RFRF在2个阶段均被使用标记X：代表对应流水级需要设置相应寄存器译码/读操作数阶段；结果回写寄存器阶段IR：4个流水级均需要阶段部件输入输出控制描述ALUOut：仅M级和W级需要PCDQPCWr程序计数器名称功能D级E级M级W级取指令ADD4PC，+4PC4完成PC+4IR传递指令XXXXI

4、MAD指令存储器PC4下一条指令地址XXXXRFA1，A2，A3，WDRD1，RD2RegWr寄存器堆RD1RF的第1个操作数X译码/读EXTI16IMM32Extop立即数扩展操作数NPCPC，I26NextPCNPCop为B类/J计算下条地址RD2RF的第2个操作数XXCMPD1，D2ResultCMPop比较2个数EXT扩展后的32位立即数X计算ALUA，BALUALUop算数/逻辑运算ALUOutALU计算结果XX访存DMA，WDRDMemWr数据存储器DR数据存储器结果X北京航空航天大学计算机学院北京航空航天大学计算机学院回写RF部件输入提纲流水线数据通路构造表格PCF级功能部件AD

5、D4IMD级更新PCPC流水线工程化综合方法基本流程每级由寄存器和功能部件组成IR@DD级流水线寄存器PC4@DA1基础指令集与流水线部件按流水线5个阶段划分RFA2EXT无转发数据通路构造方法X@Y：代表Y阶段的X寄存器D级功能部件CMPD1D2PC4IR@W：W级的IRNPCI26转发数据通路构造方法E级更新PCPCPC：出现在3个阶段IR@E功能部件控制信号构造方法PC4@EE级流水线寄存器RD1@EF级：取指令RD2@E冒险控制信号构造方法EXT@ED级：保存PC+4ALUAE级功能部件BIR@ME级：保存B/J/JAL/JALR的值PC4@MM级流水线寄存

6、器AO@MRF：出现在2个阶段RD2@MAM级功能部件DMWDD阶段：准备操作数IR@WPC4@WW阶段：回写结果W级流水线寄存器AO@WDR@WA3W级功能部件RF北京航空航天大学计算机学院北京航空航天大学计算机学院WD部件输入流水线数据通路构造表格PCS1：LW的数据通路F级功能部件ADD4LW部件输入IMPCD级更新PCPCADD4PC每级由寄存器和功能部件组成IR@DD级流水线寄存器IMPCPC4@D根据RTL描述建立各级流水线寄PCADD4A1按流水线5个阶段划分RFA2IR@DIMPC4@DEXT存器、功能部件见连接关系A1IR@D[rs]X@Y：代表Y阶段的X寄存器

7、D级功能部件CMPD1RFA2D2EXTIR@D[i16]PC4IR@W：W级的IRNPCI26LW：5级NPCPC4I26E级更新PCPCPCIR@EPC：出现在3个阶段IR@EIR@DPC4@EE级流水线寄存器RD1@EIR必填：因为采用分布式译码PC4@EF级：取指令RD1@ERF.RD1RD2@ERD2@EEXT@EEXT@EEXTD级：保存PC+4ALUA指令不涉及的不需要