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MIPS处理器设计2
2014/11/10
计算机组成原理
(2013级)
计算机组成原理课程组
(刘旭东、高小鹏、肖利民、牛建伟、栾钟治)
4.1 MIPS 多周期数据通路设计
为什么不使用单周期实现方式
单周期设计中,时钟周期对所有指令等长。而时钟周期由计算机中可能的
最长路径决定,一般为取数指令。但某些指令类型本来可以在更短时间内
完成。
多周期方案
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。
优点:
提高性能:不同指令的执行占用不同的时钟周期数;
降低成本:一个功能单元可以在一条指令执行过程中使用多次,只要
是在不同周期中(这种共享可减少所需的硬件数量)。
缺点:
增加非体系结构状态部件(寄存器),保存中间计算结果,增加延迟
控制逻辑更为复杂,需要使用FSM而非组合逻辑实现 2
4.1 MIPS多周期数据通路设计
多周期数据通路设计总体考虑
普林斯顿结构:指令和数据使用同一个存储器器;
一个ALU :R型指令算术逻辑运算、取指令后形成PC+4新值、及Beq
指令转向地址计算(PC+Signext(imm16)2),都在ALU 中完成;
时钟同步方法:一个时钟周期内信号总是从一个状态单元经过组合逻
辑处理后传送到另一个状态单元。所以指令每一步的执行总是从前一
个状态单元接收输入,经过功能单元处理,在下一个时钟周期触发沿
将结果写入下一个状态单元,因此数据通路中需要增加了一个或多个
寄存器以保存指令各执行步骤形成的结果(输出值),以便在指令的
后续时钟周期内继续使用。
组合逻辑操作时钟周期内完成;
所有信号在时钟周期内从状态单元
1经组合逻辑传送到状态单元2 。
时钟信号上跳沿同步
时钟同步方法
3
1
2014/11/10
数据通路流水化
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