【正文】 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論流水線仿真實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 目 錄摘 要 IABSTRACT II1 緒論 1 課題研究背景 1 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀 1 本文研究的主要內(nèi)容 2 論文結(jié)構(gòu) 22 Logisim軟件 3 Logisim軟件的簡介 3 3 3 Logisim元器件的使用 3 Logisim的注意事項(xiàng) 33 指令流水線技術(shù)的總體概述 5 指令流水線技術(shù)的起源 5 指令流水線技術(shù)的原理 5 指令流水線技術(shù)在商業(yè)上的運(yùn)用 5 4 指令靜態(tài)五級(jí)流水線的總體設(shè)計(jì) 7 指令指令集的設(shè)計(jì) 7 指令各個(gè)部件的設(shè)計(jì) 8 指令流水線指令控制器 8 指令流水線PC寄存器 11 指令流水線指令存儲(chǔ)器 11 指令流水線數(shù)據(jù)寄存器堆 12 指令流水線IF/ID寄存器 14 指令流水線ID/EX寄存器 15 指令流水線EX/MEM寄存器 16 指令流水線MEM/WB寄存器 17 指令流水線ALU控制器 18 指令流水線ALU單元 19 指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 20 指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器 20 指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器 25 指令流水線各個(gè)部件的數(shù)據(jù)通路連接 27 指令流水線的連接原理圖 27 指令流水線的Logisim連接圖 275 指令流水線的指令測(cè)試 29 R型指令的執(zhí)行 29 lw和sw指令的執(zhí)行 29 326 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的總結(jié)和對(duì)導(dǎo)師的致謝 35參考文獻(xiàn) 36 1 緒論 課題研究背景 對(duì)指令流水線的研究是在于人對(duì)計(jì)算機(jī)的性能需求的日益提高。隨著這些年大型軟件的不斷開發(fā)，人對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出了越來越高的要求，這也就是為什么人對(duì)指令流水線的研究更加深入，研究只有一個(gè)目的，那就是在人日益增長的海量數(shù)據(jù)下，盡可能的去讓計(jì)算機(jī)高速效率的處理數(shù)據(jù)。這也就是為什么要研究流水線化的指令處理方式。采用流水線技術(shù)后，并沒有加速單條指令的執(zhí)行，每條指令的操作步驟一個(gè)也不能少，只是多條指令的不同操作步驟同時(shí)執(zhí)行，因而從總體上看加快了指令流速度，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)是通過增加計(jì)算機(jī)硬件來實(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)開始了發(fā)展，開始有了新型的流水線技術(shù)——超標(biāo)量流水線。超標(biāo)量流水線是精簡指令集系統(tǒng)中采用一種并行處理的技術(shù)。它通過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換取更少的處理時(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. 它的流水線條數(shù)已經(jīng)不是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。 （outoforder processing）。這就說明當(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1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)域國內(nèi)外的研究狀況，接著介紹了本文的研究目的和研究內(nèi)容，最后展現(xiàn)論文的結(jié)構(gòu)安排。第2章 介紹了Logisim軟件的基本用法和在設(shè)計(jì)過程時(shí)將會(huì)用到元器件主要功能。第3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4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5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)遇到的問題。第6章 總結(jié)了本文所闡述的研究，和感謝導(dǎo)師的指導(dǎo)。6 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) 2 Logisim軟件 Logisim的簡介每一位用戶都可以通過它來學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建邏輯電路，方便簡單。它是一款基于Java的應(yīng)用程序，方便學(xué)生來學(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)模的電路來作為大型電路的一部分。 Logisim的特點(diǎn)有：1. 它是一個(gè)開源的軟件而且免費(fèi)。2. 它可以用Java來編程控件來組成自己設(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。3. Logisim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構(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路。4. 而且它可以用你自己寫的真值表來自動(dòng)生成一個(gè)邏輯電路，非常的方便。5. 它可以封裝一個(gè)你自己設(shè)計(jì)好的邏輯電路圖，作為一個(gè)器件去用來組成一個(gè)更為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。6. 它可以分層設(shè)計(jì)電路圖，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。7. Logisim還支持打印你自己設(shè)計(jì)出來的邏輯電路圖。 Logisim元器件的使用首先在本次仿真過程中，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)，并且還可以通過指令流水線的運(yùn)行，將ALU處理過的數(shù)據(jù)和寄存器里的值存儲(chǔ)在RAM里面。其次仿真過程中還會(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。 Logisim元器件的注意事項(xiàng) 在Logisim中最重要的問題就是解決寄存器和RAM中的時(shí)序問題。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 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：1. 取指令階段 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)鐘到來時(shí)就更新PC，所以PC也要有“寫使能”控制。經(jīng)過控制邏輯延遲后，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。ALU運(yùn)算，輸出結(jié)果一定要在下個(gè)時(shí)鐘到