【正文】 ，縮短了程序執(zhí)行時(shí)間。為了進(jìn)一步滿足普通流水線設(shè)計(jì)所不能適應(yīng)的更高 時(shí)鐘頻率 的要求，高檔位處理器中的流水線的深度（級(jí)數(shù)）在逐代增多。當(dāng) 流水線深度 在 5~6 級(jí)以上時(shí)，通常稱為 超流水線 結(jié)構(gòu)（ Super Pipeline）。顯然，流水線級(jí)數(shù)越多，每級(jí)所花的時(shí)間越短， 時(shí)鐘周期 就可以設(shè)計(jì)的越短，指令速度越快，指令平均執(zhí)行時(shí)間也就越短。 流水線技術(shù) 是通過(guò)增加計(jì)算機(jī)硬件 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它要求各功能段能互相獨(dú)立地工作，這就要增加硬件，相應(yīng)地也加大了控制的復(fù)雜性。如果沒(méi)有互相獨(dú)立的操作部件，很可能會(huì)發(fā)生各種沖突。例如要能 預(yù)取指令 ，就需增加指令的硬件電路，并把取來(lái)的指令存放到 指令隊(duì)列緩沖器 中，使微處理器能同時(shí)進(jìn)行取指令和分析、執(zhí)行指令的操作。 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀 指令 流水線 技術(shù)自從 20世紀(jì) 60年代第一次在高端的大型機(jī)中采用，第一次采用指令集靜態(tài)流水線的計(jì)算機(jī)是 IBM 公司生產(chǎn)的 IBM7030大型計(jì)算機(jī)（它又被稱為 Stretch 計(jì)算機(jī)）。在后面研制的 CDC6600大型計(jì)算機(jī)也使用了指令態(tài)流水線和多功能部件技術(shù)。 到了 20世紀(jì) 80年代，流水線技術(shù)已經(jīng)成為精簡(jiǎn)指令集處理器最為基礎(chǔ)的技術(shù)了，到了這時(shí)流水線技術(shù)開(kāi)始 了發(fā)展，開(kāi)始有了新型的流水線技術(shù) —— 超標(biāo)量流水線。超標(biāo)量流水線是精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)中采用一種并行處理的技術(shù)。它通過(guò)將流水線的每一步分別作出與之相對(duì)應(yīng)的細(xì)化，增加流水線的級(jí)數(shù)，和增加 指令 的主頻數(shù)，才 指令 在它的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一個(gè)甚至可以達(dá)到兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的操作。超標(biāo)量流水線的實(shí)質(zhì)就是用更多的處理空間來(lái)?yè)Q取更少的處理時(shí)間，大規(guī)模的元器件使用流水線技術(shù)并且提供 指令 的工作主頻來(lái)提高 指令 的處理速度。超標(biāo)量流水線技術(shù)它有 3種獨(dú)特的改進(jìn)： 1條，而改進(jìn)成兩至三條，而且超標(biāo)量流水線還有十一個(gè)獨(dú)立的元器件執(zhí)行 單元去并行地運(yùn)行。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 2. 超 標(biāo) 量 流 水 線 技 術(shù) 它 采 用 了 無(wú) 序 執(zhí) 行 技 術(shù) （ outoforder processing）。這就說(shuō)明當(dāng)某一條指令需要一個(gè)數(shù)據(jù)才能執(zhí)行完成時(shí)，它將直接被分流出流水線以等待這條指令所需要的數(shù)據(jù)。這樣做的目的是，防止因?yàn)槟骋粭l指令沒(méi)有執(zhí)行而影響整個(gè)流水線的運(yùn)行從而導(dǎo)致處理速度的下降。 ，它已經(jīng)不是采用一般流水線技術(shù)的五級(jí)流水線，而是采用更多的流水線級(jí)數(shù)，比如說(shuō)十四條流水線級(jí)數(shù)，它會(huì)大大提高流水線的運(yùn)行效率。采用超標(biāo)量流水線處理器的不同元器件可以 集成在同一天流水線上，這就表示執(zhí)行同一種功能的元器件它可以在一條流水線上，而執(zhí)行另一種功能的元器件它可以在另一條流水線上。這極大的提高了流水線的運(yùn)行效率，并且現(xiàn)代的 指令 都采用了動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，它包括了分支預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)分析，投機(jī)執(zhí)行這幾項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)處理器都使用的是高級(jí)指令集并行技術(shù)即每一個(gè)流水線可以啟動(dòng)多條指令。 本文研究的主要內(nèi)容 ① 了解 指令流水線 的基本問(wèn)題 ② Logisim 的基本 使用 方法 ③ 理解 指令 流水線的數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)，學(xué)習(xí)相關(guān)性判斷，和分支冒險(xiǎn) ④ 在 Logisim 上仿真和實(shí)現(xiàn)指令靜態(tài)流水線 論文結(jié)構(gòu) 本文研究了基于 RISC 指令集下，用 Logisim 軟件仿真與實(shí)現(xiàn)靜態(tài)流水線的方法。本文共有七章，文章的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 為緒論， 這一章描述了這個(gè)研究項(xiàng)目所處的研究背景以及其意義 ，并介紹了這一 研究 領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外 的 研究 狀況 ，接著介紹了本文的研究目的和研究?jī)?nèi)容，最后展現(xiàn)論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章 介紹了 Logisim 軟件的基本用法和在設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)將會(huì)用到元器件主要功能。 第三章 介紹了指令流水線技術(shù)的 總體技術(shù)概要，以及指令流水線技術(shù)的原理，指令流水線技術(shù)的起源和商業(yè)上的運(yùn)用。 第四章 闡述了如何具體的設(shè)計(jì)指令流水線的每一個(gè)部件并將它連接成可以完美運(yùn)行的有機(jī)整體。 第五章 描述了指令是如何具體的在指令流水線中執(zhí)行，以及可能會(huì)遇到的問(wèn)題。 第六章 總結(jié)了本文所闡述的研究，和感謝導(dǎo)師的指導(dǎo)。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Logisim 軟件的使用與注意事項(xiàng) 3 2 Logisim 軟件 Logisim 的簡(jiǎn)介 每一位用戶都可以通過(guò)它來(lái)學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建邏輯電路，方便簡(jiǎn)單。它是一款基于 Java 的應(yīng)用程序，方便學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和模仿數(shù)字邏輯電路，可謂一款不折不扣的學(xué)習(xí)教育工 具，方便你來(lái)學(xué)習(xí)電路的相關(guān)工作原理等等。 Logism 中的主要組成部分之一就在于設(shè)計(jì)并以圖示來(lái)顯示 指令 或其他中央處理器單位。當(dāng)然Logism 中還有其他多種組合分析模型來(lái)對(duì)你進(jìn)行幫助，如轉(zhuǎn)換電路，表達(dá)式，布爾型和真值表等等。同時(shí)還可以重新利用小規(guī)模的電路來(lái)作為大型電路的一部分。 Logisim 的特點(diǎn)有： 。 Java 來(lái)編程控件來(lái)組成自己設(shè)計(jì)的邏輯電路圖或者是自己設(shè)計(jì)的比較復(fù)雜的 指令 。 的操作比較方便，它可以勾畫出你需要設(shè)計(jì)的器件的電路圖，它有很方便的器件可 以用來(lái)構(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路。 ，非常的方便。 ，作為一個(gè)器件去用來(lái)組成一個(gè)更為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。 ，第一次電路圖設(shè)計(jì)好后，在設(shè)計(jì)第二次電路圖讓它嵌套在第一次電路圖上。 還支持打印你自己設(shè)計(jì)出來(lái)的邏輯電路圖。 Logisim 元器件的使用 首先在本次仿真過(guò)程中，使用 Logisim 中最為重要的元器件是 ROM 器件和RAM 器件，在本次仿真過(guò)程中 ROM 將它作為指令存儲(chǔ)器，將預(yù)先編譯好的指令轉(zhuǎn)換 為 16 進(jìn)制存儲(chǔ)到 ROM 中，而 RAM它也可以載人預(yù)先設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)，并且還可以通過(guò)指令流水線的運(yùn)行，將 ALU處理過(guò)的數(shù)據(jù)和寄存器里的值存儲(chǔ)在 RAM里面。其次仿真過(guò)程中還會(huì)用到一個(gè)基礎(chǔ)并且重要的元器件，那就是寄存器，寄存器它是指令流水線存儲(chǔ)單位的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)很多需要用到的數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)到寄存器中。并且在 Logisim 中可以使用多路選擇器，數(shù)據(jù)分離器，與門，或門，反向電路，加法器，減法器，位擴(kuò)展器等元器件。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Logisim 軟件的使用與注意事項(xiàng) 4 Logisim 元器件的注意事項(xiàng) 在 Logisim 中最重要的問(wèn)題就是解決寄存器和 RAM 中的時(shí) 序問(wèn)題 。因?yàn)槟憧赡軙?huì)出現(xiàn)一種狀況，那就是邏輯設(shè)計(jì)是正確的，但是在具體的執(zhí)行過(guò)程中，寄存器的值可能會(huì)在不可控的范圍內(nèi)變化，比如說(shuō)執(zhí)行一條指令并要將數(shù)據(jù)傳入寄存器時(shí)，上一條指令的數(shù)據(jù)就可能同時(shí)傳入即將接收數(shù)據(jù)的寄存器中，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是將寄存器的觸發(fā)從上升沿觸發(fā)改成高電平觸發(fā)，這樣就可以讓寄存器不會(huì)造成數(shù)據(jù)不可控的改變。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 指令流水線技術(shù)總體概述 5 3 指令流水線 指令流水線技術(shù)的起源 在較早的指令處理器中，人們最先設(shè) 計(jì)的單周期處理器，但是單周期處理它每條指令在一個(gè)固定長(zhǎng)度的時(shí)鐘周期內(nèi)完成。它的性能不是特別完美，所以我們拓展到了多周期處理器。而在多周期處理器中，指令的每一步將占用一個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)功能單元可以在一條指令的執(zhí)行過(guò)程中使用多次。多周期處理器的這種共享可以減少所需的硬件數(shù)，并且提高一定的性能。但是多周期處理器依然有著一些缺點(diǎn)，比如說(shuō)不能流水化的執(zhí)行指令。由此人們研究出了指令流水線技術(shù)。在二十世紀(jì)的 60 年代， IBM 公司生產(chǎn)的 IBM7030 大型計(jì)算機(jī)是世界上第一臺(tái)采用流水線技術(shù)的計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)榱魉€技術(shù)可以大大的 提高指令的指令執(zhí)行效率。 指令流水線技術(shù)原理 最經(jīng)典的指令五 級(jí)流水線技術(shù)， 這五個(gè)步驟 分別為： 執(zhí)行一次存儲(chǔ)器讀操作讀出的內(nèi)容（指令）保存到寄存器 IR（指令寄存器）中 ， IR的內(nèi)容不是每個(gè)時(shí)鐘都更新，所以 IR必須加一個(gè)“寫使能”控制 。 在取指令階段結(jié)束時(shí)， ALU 的輸出為 PC+4，并送到 PC 的輸入端，但不能在每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)就更新 PC，所以 PC 也要有“寫使能”控制 。 /讀寄存器堆階段 經(jīng)過(guò)控制邏輯延遲后，控制信號(hào)更新為新值 。 執(zhí)行一次寄存器讀操作，并同時(shí)進(jìn)行譯碼 。 期間 ALU 空閑， 可以考慮“投機(jī)計(jì)算”分支地址 。 運(yùn)算階段 ALU 運(yùn)算，輸出結(jié)果一定要在下個(gè)時(shí)鐘到達(dá)之前穩(wěn)定 。 如果是分支 branch指令，該階段需決定是否將分支地址寫入 PC。 由 ALU 運(yùn)算結(jié)果作為地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器，讀出數(shù)據(jù) 。 把之前的運(yùn)算結(jié)果或讀存儲(chǔ)器結(jié)果寫到寄存器堆中 。 這是 指令流水線最經(jīng)典的原理，它非常簡(jiǎn)潔的表現(xiàn)出了指令最為基本的過(guò)程。 指令流水線的冒險(xiǎn) 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 指令流水線技術(shù)總體概述 6 指令流水線技術(shù)在商業(yè)上的運(yùn)用 近 30 年來(lái) 指令流水線技術(shù)在不斷的發(fā)展，從最初的指令五級(jí) 流水線到英特爾公司奔騰四處理器的二十級(jí)流水線。現(xiàn)在商業(yè)上運(yùn)用的指令流水線技術(shù)它主要是挖掘指令間潛在的并行性，這種并行性被稱為指令級(jí)并行（ ILP）。有兩種方法可以增加潛在的指令級(jí)并行程度。第一種是增加流水線深度一重疊更多的指令。第二種是復(fù)制處理器內(nèi)部部件的數(shù)量，使得每一個(gè)流水級(jí)可以啟動(dòng)多條指令。這個(gè)技術(shù)被稱為多發(fā)射。因特爾公司在 X86 系列的處理器就已經(jīng)運(yùn)用了指令流水線技術(shù)，并且它又在奔騰系列的處理器使用了流水化程度更高的流水線技術(shù)，比如說(shuō)MMX 技術(shù)，它是將整個(gè)流水線的處理過(guò)程多增加了一步，那就是指令從代碼的高速緩存中預(yù)先提取出來(lái)，然后將它傳送到“預(yù)處理”階段，在“預(yù)處理”階段它將進(jìn)行指令的譯碼階段。奔騰系列的處理器它都使用了比較先進(jìn)的流水線技術(shù)，它采用的是動(dòng)態(tài)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)就是將它本身的寄存器進(jìn)行重新命名并且在遇到分支指令時(shí)使用分支預(yù)測(cè)來(lái)執(zhí)行指令的結(jié)構(gòu)。它非常完美的將亂序執(zhí)行還有推測(cè)執(zhí)行結(jié)合了在一起。它的執(zhí)行過(guò)程是，指令都從一個(gè)有序執(zhí)行的流水線進(jìn)入，然后通過(guò)指令的宏指令將這些指令分解成一些簡(jiǎn)單的微操作，然后再由一個(gè)專門處理這些微操作的亂序超標(biāo)量處理器內(nèi)核來(lái)分別處理。因?yàn)閬y序的超標(biāo)量流水線處理器里面有幾個(gè)流水 線，這些流水線連接了整型，跳轉(zhuǎn)，浮點(diǎn)和內(nèi)存執(zhí)行單元。所以幾種不同的執(zhí)行單元就可以非常好的集合在一起，同時(shí)在一條流水線里完美的進(jìn)行執(zhí)行。因特爾推出的酷睿 i7處理器，它的總流水線深度為 14級(jí)，分支錯(cuò)誤預(yù)測(cè)成為為 17個(gè)時(shí)鐘周期。它一共有 48 個(gè)載入緩沖區(qū)和 32個(gè)存儲(chǔ)緩沖區(qū)， 6個(gè)獨(dú)立功能單元可以在同一時(shí)鐘周期分別開(kāi)始執(zhí)行準(zhǔn)備就緒的微操作。在采取這些高端指令流水線技術(shù)后， i7 處理器的性能有了質(zhì)的提升，它的 CPI 達(dá)到了一個(gè)最佳預(yù)測(cè)值。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 指令靜態(tài)五級(jí)流水線的總體設(shè)計(jì) 7 4 指令靜態(tài)五級(jí)流水線的總體設(shè)計(jì) 指令指令集的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的指令原型機(jī)為 32 位，所以設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)也是 32 位的，所以本次設(shè)計(jì)的指令為： R 型指令 取指令，指令譯碼， ALU 運(yùn)算單元，寫結(jié)果到寄存器。 L 型指令 取指令，指令譯碼， ALU 運(yùn)算單元， 讀存儲(chǔ)器階段 ， 寫結(jié)果到寄存器。 S 型指令 取指令，指令譯碼， ALU 運(yùn)算單元， 讀存儲(chǔ)器階段 。 分支轉(zhuǎn)移指令 取指令，指令譯碼， ALU 運(yùn)算單元。 它的指令格式是參照 MIPS 32 的指令格式，也是 32 位了的指令格式。 指令格式表