计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_16学时_-part2-流水线.pdf

《计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_16学时_-part2-流水线.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、2014-11-13第十五讲单周期处理器设计262832bitsJumpAddShiftleft20A0MPC+4(31:28)MUAddAUXX11Nadd4BShiftleft2B26bitsAddeessJumpBranchMemtoRegOpControlMemWriteUnitMemReadALUOpALUSrcRegDstRegWriteRsReadReadPCregister1addressRtReadReadregister2data1A0ZeroInstructionMWriteUALURdregisterRead0Read1XMResultM1data1Addre

2、ssUBdataUWriteInstructionXXdataRegisters10memoryALUoperationWriteimm16SigndataData16extend32memoryFuncALUControl1d2单周期处理器性能分析单周期处理器性能分析指令执行时间计算MIPS不同类型指令的指令周期1.方式一：采用单周期，即所有指令周期固定为单一时钟周期时钟周期有最长的指令决定（LW指令），为600ps指令平均周期=600ps2.方式二：不同类型指令采用不同指令周期（可变时钟周期）假设指令在程序中出现的频率–lw指令：25%–sw指令：10%–R型指令：45%

3、数据通路各部分以及各类指令的执行时间–beq指令：15%–j指令：5%平均指令执行时间600*25%+550*10%+400*45%+350*15%+200*5%=447.5ps―若采用可变时钟周期，时间性能比单周期更高；―但控制比单周期要复杂、困难，得不偿失。―改进方法：改变每种指令类型所用的时钟数，即采用多周期实现34多周期处理器设计多周期处理器设计为什么不使用单周期实现方式？PCWePCwriteCondPCwritePCSrc单周期设计中，时钟周期对所有指令等长IorDALUOpMemReadControlALUSrcBUnit0MMemWriteALUSrcAMemt

4、oRegRegWriteShift281U而时钟周期由计算机中可能的最长路径决定，如：取数指令IRWrite26left22XRegDstInstruction[25-0]PC[31-28]Instruction但某些指令类型本来可以在更短时间内完成，如：跳转指令[31-26]PC0M0MInstructionRsReadUUAddressReadX[25-21]register1A1X1data2Zero多周期方案InstructionRtRead[20-16]register2ALUInstruction0ReadMB0ResultALUOutordataWritedata

5、1U4MInstructionRdXregister1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1U[15-0]2XWriteInstructionWrite1Registers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dataMemoryregisterMdata3UXMemory0ALU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dataregisterimm16SignShiftcontrolextendleft2成的结果（输出值），以便在指令的后续时钟周期内继续使用Func5612014-11-13多周期处理器性能分析多周期处

6、理器性能分析假设主要功能单元的操作时间存储器：200ps时钟周期ALU：100ps时钟周期取各步骤中最长的时间：200ps寄存器堆：50ps多路复用器、控制单元、PC、符号扩展单元、线路没有延迟各类指令执行时间各类指令执行时间时钟周期R型指令Lw指令Sw指令Beq指令J指令周期时间执行步骤R型指令Lw指令Sw指令Beq指令J指令时间TC1IRM[PC]，PCPC+4200ps取指令IRM[PC]，PCPC+4200psAR[IR[25:21]]，BR[IR[20:16]]TC2200psALUOutPC+Signext[IR[15:0]]<<2读寄存器/A

7、R[IR[25:21]]，BR[IR[20:16]]100ps译码ALUOutPC+Signext[IR[15:0]]<<2ALUOutALUOutA+If(A-B==0)thenPCPC[31:28]TC3200psAopBSignext(IR[15:0])PCALUout

8、

9、IR[25:0]<<2ALUOutALUOutA+If(A-B==0)thenPCPC[31:28]计算100psAopBSignext(IR[15:0])PC