李白斌20105410论文.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 流水线仿真实现与设计 学 生：李白斌 学 号指导教师：黄仁 专 业：网络工程 重庆大学计算机学院 二O一四年六月  Graduation Design (Thesis) of Chongqing University Design and Implementation of Pipeline Simulation Undergraduate: Baibin Li Supervisor: Ren Huang Major: Network Engineering College of Computer Science Chongqing University June 2014  摘 要  ABSTRACT  目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2 国内外相关研究现状 1 1.3 本文研究的主要内容 2 1.4 论文结构 2 2 Logisim软件 3 2.1 Logisim软件的简介 3 2.1.1科学研究领域 3 2.1.2商业领域 3 2.2 Logisim元器件的使用 3 2.3 Logisim的注意事项 3 3 指令流水线技术的总体概述 5 3.1 指令流水线技术的起源 5 3.2 指令流水线技术的原理 5 3.3 指令流水线技术在商业上的运用 5 4 指令静态五级流水线的总体设计 7 4.1 指令指令集的设计 7 4.2 指令各个部件的设计 8 4.2.1 指令流水线指令控制器 8 4.2.2 指令流水线PC寄存器 11 4.2.3 指令流水线指令存储器 11 4.2.4 指令流水线数据寄存器堆 12 4.2.5 指令流水线IF/ID寄存器 14 4.2.6 指令流水线ID/EX寄存器 15 4.2.7 指令流水线EX/MEM寄存器 16 4.2.8 指令流水线MEM/WB寄存器 17 4.2.9 指令流水线ALU控制器 18 4.2.10 指令流水线ALU单元 19 4.2.11 指令流水线数据存储器 20 4.2.12 指令流水线数据冒险转发器 20 4.2.13 指令流水线数据冒险阻塞器 25 4.3 指令流水线各个部件的数据通路连接 27 4.3.1 指令流水线的连接原理图 27 4.3.2 指令流水线的Logisim连接图 27 5 指令流水线的指令测试 29 5.1 R型指令的执行 29 5.2 lw和sw指令的执行 29 5.3分支指令的执行 32 6 本次毕业设计的总结和对导师的致谢 35 参考文献 36  1 绪论 1.1 课题研究背景 对指令流水线的研究是在于人对计算机的性能需求的日益提高。随着这些年大型软件的不断开发，人对计算机的性能提出了越来越高的要求，这也就是为什么人对指令流水线的研究更加深入，研究只有一个目的，那就是在人日益增长的海量数据下，尽可能的去让计算机高速效率的处理数据。这也就是为什么要研究流水线化的指令处理方式。采用流水线技术后，并没有加速单条指令的执行，每条指令的操作步骤一个也不能少，只是多条指令的不同操作步骤同时执行，因而从总体上看加快了指令流速度，缩短了程序执行时间。为了进一步满足普通流水线设计所不能适应的更高时钟频率的要求，高档位处理器中的流水线的深度（级数）在逐代增多。当流水线深度在5~6级以上时，通常称为超流水线结构（Super Pipeline）。显然，流水线级数越多，每级所花的时间越短，时钟周期就可以设计的越短，指令速度越快，指令平均执行时间也就越短。流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。它要求各功能段能互相独立地工作，这就要增加硬件，相应地也加大了控制的复杂性。如果没有互相独立的操作部件，很可能会发生各种冲突。例如要能预取指令，就需增加指令的硬件电路，并把取来的指令存放到指令队列缓冲器中，使微处理器能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。 1.2 国内外相关研究现状 指令流水线技术自从20世纪60年代第一次在高端的大型机中采用，第一次采用指令集静态流水线的计算机是IBM公司生产的IBM7030大型计算机（它又被称为Stretch计算机）。在后面研制的CDC6600大型计算机也使用了指令态流水线和多功能部件技术。 到了20世纪80年代，流水线技术已经成为精简指令集处理器最为基础的技术了，到了这时流水线技术开始了发展，开始有了新型的流水线技术——超标量流水