【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(xiě)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(xiě)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 表 Op(6) Rs(5) Rt(5) Rd(5) Shamt(5) Funct(6) Op(6) Rs(5) Rt(5) Address(16) 第一個(gè)指令格式為 R型指令格式，第二個(gè)指令格式為 I型指令格式。 各個(gè)字段的意義如下所示： op:它是一條指令具體是哪一種類(lèi)型指令的標(biāo)志碼，稱(chēng)為操作碼。 rs:在 R型指令中它為源寄存器字段，而在取指令和存儲(chǔ)指令中它作為基地址與十六位的地址字段相加得到存儲(chǔ)地址。 rt:在 R型指令中它也為源寄存器字段，在取指令中，它是取出的數(shù)據(jù)的目的寄存器，而在存儲(chǔ)指令中，它是要存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)所在的寄存器。 rd:它是 R 型指令的目的字段。 shamt:位移量。 funct:它被稱(chēng)為 功能字段，這個(gè)字段主要是通過(guò)和 ALUOp 控制位組合起來(lái)從而確定 ALU 控制位。具體來(lái)說(shuō)，它就是和 ALUOp 配合來(lái)確定邏輯處理單元具體是執(zhí)行哪一個(gè)處理過(guò)程，比如說(shuō) add，或者是 sub 指令它都會(huì)用到邏輯處理單元，它指令中的 funct 字段就是來(lái)控制邏輯處理單元到底是執(zhí)行加還是減的步驟。 本次設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)都是由上述所說(shuō)的指令類(lèi)型來(lái)編譯的，它將在指令流水線中運(yùn)行，以確定設(shè)計(jì)出的流水線是否符合邏輯。 下面將給出具體執(zhí)行的八條指令： lw $1, 0($0) 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) 8 add $2, $0, $1 lw $3, 1($0) sub $4, $2, $3 beq $1, $2, 7 add $3,$1, $2 add $4,$2, $3 sw $4,2($0) 指令流水線各個(gè)部件的設(shè)計(jì) 指令流水線指令控制器 設(shè)計(jì)指令流水線的指令控制器就要考慮它的指令系統(tǒng)具體是有哪幾種類(lèi)型的指令，下面將會(huì)列出指令流水線的具體的各個(gè)控制信號(hào)的名稱(chēng)以及其作用： 指令流水線控制信號(hào)表 表 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)還有邏輯處理單元的控制碼，所以下面將列出邏輯出來(lái)單元的控制位的具體控制碼： 邏輯控制單元控制碼 表 指令操作碼 ALUOp 指令操作 功能字段 ALU 動(dòng)作 ALU控制輸入 取字 00 取字 XXXXXX 加 010 存儲(chǔ)字 00 存儲(chǔ)字 XXXXXX 加 010 相等分支 01 相等分支 XXXXXX 減 110 R 類(lèi)型 10 加 100000 加 010 R 類(lèi)型 10 加 100010 減 110 R 類(lèi)型 10 與 100100 與 000 信號(hào)名稱(chēng) 清 0 效果 置為 1 效果 RegDst 寫(xiě)入寄存器的目標(biāo)號(hào)來(lái)自 rt 字段（ 2016位） 寫(xiě)入寄存器的目標(biāo)號(hào)從 rd字段（ 1511 位） RegWrite 無(wú) 寫(xiě)入寄存器的源寄存器的值置為輸入的寫(xiě)入數(shù)據(jù) ALUSrc 第二個(gè) ALU 操作數(shù)來(lái)自第二個(gè)寄存器堆的輸出（讀數(shù)據(jù) 2） 第二個(gè) ALU 操作數(shù)是一個(gè)符號(hào)擴(kuò)展指令的低十六位 PCSrc PC的值替換為 PC+4 PC的值置為分支目標(biāo)的地址 MemRead 無(wú) 輸入地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容置為讀入數(shù)據(jù)的輸出 MemWrite 無(wú) 輸入地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容替換為寫(xiě)入數(shù)據(jù)的輸入 MemtoReg ALU 提供寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)的輸入值 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供寄存器寫(xiě)數(shù) 據(jù)的輸入值 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) 9 R 類(lèi)型 10 或 100101 或 001 ALU 控制輸入碼 表 ALU 控制輸入 000 001 010 110 功能 與 或 加 減 下面給出流水線的步驟控制線路分布圖： 圖 下面將詳細(xì)介紹流水線的控制問(wèn)題，可以在任何的一條流水線步驟中都加入與之相應(yīng)的控制碼。因?yàn)槊恳粭l控制線路它只會(huì)和它所控制的流水線部件相對(duì)應(yīng)，所以只要在流水線的五個(gè)步驟中，把控制信號(hào)分成五組就可以很好的解決指令流水線控制的問(wèn)題了。將控制信 號(hào)分為 ：讀指令存儲(chǔ)器和寫(xiě) PC 的控制信號(hào)都置為 1，因此在指令流水線的取指令階段并沒(méi)有什么一定要注意的控制部件。 /寄存器堆讀階段：與之前的一步是比較相似的，在每一個(gè)的指重慶大學(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) 10 令時(shí)鐘周期里，指令本身所做的工作都是一樣，它就是譯碼所以根本就不用控制信號(hào)來(lái)控制它。 ：在這個(gè)階段里，被設(shè)置的信號(hào)有 RegDst，ALUOp 還有 ALUSrc。指令流水線將根據(jù)這些信號(hào)來(lái)選擇結(jié)構(gòu)寄存器，并且可以擴(kuò)展十六位的地址位讓它與寄存器里的值相加從而得到地址。 ：在這個(gè)步驟中將設(shè)置的控 制信號(hào)有 Branch， MemRead和 MemWrite 這幾個(gè)信號(hào)。在 Branch 信號(hào)和分支指令檢測(cè)單元的輸出都為零的時(shí)候， PCSrc 將不會(huì)調(diào)用下一個(gè)順序地址，否則它將調(diào)用下一個(gè)順序的地址。 ：在這個(gè)階段中將會(huì)設(shè)置 MemtoReg還有 RegWrite信號(hào)， MemtoReg信號(hào)是決定是將 ALU 結(jié)果還是將存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫鞫眩?RegWrite 信號(hào)輔助寫(xiě)入選定的數(shù)據(jù)。 下面將給出本次設(shè)計(jì)的指令流水線指令控制器在具體指令中應(yīng)該如何如何設(shè)置值的具體表格： 流水線指令控制碼 表 指令 RegDst ALUOp1 ALUOp2 ALUsrc Branch MemRead MemWrite RegWrite MemtoReg R 型 1 1 0 0 0 0 0 1 0 lw 0 0 0 1 0 1 0 1 1 sw x 0 0 1 0 0 1 0 x beq x 0 1 0 1 0 0 0 x 當(dāng)設(shè)計(jì)出指令流水線控制代碼，以及 ALU 控制代碼時(shí)，就進(jìn)行下一步的指令流水線控制器的設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中，使用的是 Logisim 軟件中的 ROM 存儲(chǔ)單元，設(shè)計(jì)構(gòu)思是將設(shè)計(jì)好的 ALU 控制碼直接存儲(chǔ)到 ROM 中，然后將 OP 字段作為 ROM存儲(chǔ)單元的地址，即假如 OP 字段為 000001則 ROM 存儲(chǔ)單元輸出的是位置在第一個(gè)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如果 OP 字段是 000000則 ROM 存 儲(chǔ)單元輸出的是位置在第零位的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出后將會(huì)使用數(shù)據(jù)分離器來(lái)分了各個(gè)部分所需要的控制碼。如 WB 階段需要兩位控制碼， MEM 階段需要三位控制碼， EX 執(zhí)行階段需要四位控制碼。下面將給出 在 Logisim 上設(shè)計(jì)的 具體的設(shè)計(jì)圖樣： 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) 11 圖 其中，第零號(hào)地址不會(huì)存儲(chǔ)任何的數(shù)據(jù)，即它全為 0；第一號(hào)地址存儲(chǔ)的是R 型指令所需要的控制碼，它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為： 182；第二號(hào)地址存儲(chǔ)的是 LW指令所需要的控制碼，它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為： 02b；第三號(hào)地址存儲(chǔ)的是 SW 指令所需要的控制碼，它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為： 024；第四號(hào)地址存儲(chǔ)的是 beq 指令所需要的控制碼，它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為： 050。 指令流水線 PC 寄存器 PC寄存器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于存儲(chǔ)下一條指令地址的寄 存器，它的主要功能就是存儲(chǔ)下一條指令的地址。但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是流水線化的指令原型機(jī)，則必須要考慮到相等分支指令執(zhí)行時(shí)， PC 寄存器的值一定會(huì)跳轉(zhuǎn)到指令所確定的地址，并且在發(fā)生指令流水線數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí) PC 寄存器必須要將自己鎖存起來(lái)，這就要求設(shè)計(jì) PC 寄存器時(shí)必須有時(shí)它暫時(shí)不接收數(shù)據(jù)的 PCWrite 信號(hào)，在 PCWrite 信號(hào)為零時(shí)它不接收任何的數(shù)據(jù)，在 PCWrite 信號(hào)為一時(shí)才接收數(shù)據(jù)。 PC 寄存器有三個(gè)部分組成：第一部分三十二位數(shù)據(jù)接收單元，第二部分寄存器存儲(chǔ)單元，第三部分三十二位數(shù)據(jù)傳出單元。下面將給出在 Logisim 上設(shè)計(jì)的 PC 寄存器的設(shè)計(jì)圖： 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) 12 圖 其中寄存器的數(shù)據(jù)位設(shè)為三十二位數(shù)據(jù)域， PC 使能信號(hào)為一時(shí)當(dāng)?shù)谝粭l指令已經(jīng)進(jìn)入譯碼階段后，下一條指令的值會(huì)立刻 存儲(chǔ)到 PC寄存器中。 指令流水線指令存儲(chǔ)器 指令流水線指令存儲(chǔ)器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)已經(jīng)編譯好的指令的存儲(chǔ)器，它有一個(gè)八位的地址接收單元，三十二位的數(shù)據(jù)傳出單元，和三十二位的 ROM 存儲(chǔ)器三