【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 01011swx0010010xbeqx0101000x 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： 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： 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)器三個(gè)部分構(gòu)成。它的原理是地址單元傳輸數(shù)據(jù)到ROM存儲(chǔ)器中，則ROM存儲(chǔ)器就會(huì)傳出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳出單元以便下一步指令的執(zhí)行。下面將給出在Logisim上設(shè)計(jì)的指令存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)圖： 本次設(shè)計(jì)的指令流水線中，指令存儲(chǔ)器中一共存儲(chǔ)了八條指令，但是最終只會(huì)執(zhí)行七條指令，因?yàn)樵趫?zhí)行相等分支指令時(shí)會(huì)跳過(guò)一條指令轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到相等分支指令指定的地址。 下面將列出設(shè)計(jì)的具體指令： lw $1 ,0($0) add $0, $1, $2 lw $3, 1($0) sub $2, $3, $4 beq $1, $2, 7 add $1, $2, $3 位置在第十二號(hào)地址：add $2,$3,$4 sw $4, 2($0) 這八條指令將一次在指令流水線中執(zhí)行，首先會(huì)先把它存入在指令寄存器中，因?yàn)橹噶畲鎯?chǔ)器它的數(shù)據(jù)進(jìn)制是十六位的，所以會(huì)將編譯好的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的，它一次分別為： 8010000,4011020,8030001,4432022，10220007,4221820,4432020，c040002 這些指令代碼全部存入指令存儲(chǔ)器中，當(dāng)指令存儲(chǔ)器的地址接收單元接收到數(shù)據(jù)然后傳給指令存儲(chǔ)器時(shí)，指令存儲(chǔ)器就會(huì)將地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街噶畲鎯?chǔ)器傳出單元以便進(jìn)行下一步操作。 指令流水線數(shù)據(jù)寄存器堆 指令流水線寄存器它的作用是在指令指定的寄存器中存儲(chǔ)指令的執(zhí)行數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)邏輯計(jì)算單元的結(jié)果。由于指令在執(zhí)行指令的過(guò)程中會(huì)用到寄存器里的數(shù)據(jù)，所以如何正確的將數(shù)據(jù)正確的存入由指令所確定的寄存器中和將指令所確定的寄存器里的數(shù)據(jù)取出是設(shè)計(jì)指令流水線數(shù)據(jù)寄存器堆的關(guān)鍵。 下面將介紹自己設(shè)計(jì)的指令流水線數(shù)據(jù)寄存器堆的主要結(jié)構(gòu)： 首先寄存器堆一共由五個(gè)寄存器組成，其次寄存器堆會(huì)有兩個(gè)五位的讀寄存器號(hào)端口，兩個(gè)三十二位的讀寄存器數(shù)據(jù)端口，以及一個(gè)五位的寫(xiě)寄存器號(hào)端口，一個(gè)三十二位的寫(xiě)數(shù)據(jù)端口。寄存器堆由許多寄存器組成，它這些寄存器可以通過(guò)設(shè)計(jì)的寄存器號(hào)進(jìn)行讀寫(xiě)存取?？梢赃\(yùn)用對(duì)于每一個(gè)寄存器的讀寫(xiě)口進(jìn)行解碼，再運(yùn)用觸發(fā)器組成一個(gè)寄存器散列陣，這個(gè)就是構(gòu)造的寄存器堆。還有因?yàn)樽x取指令流水線寄存器時(shí)不能改變它的值，所以，在設(shè)計(jì)寄存器的屬性時(shí)，一定要將寄存器的觸發(fā)屬性設(shè)置為高電平觸發(fā)。在確保指令流水線寄存器在讀取時(shí)值不會(huì)改變后，就只用提供寄存器號(hào)就可以讀出指令流水線寄存器里面的數(shù)據(jù)了。然后在指令流水線寄存器里寫(xiě)數(shù)據(jù)是，就需要三個(gè)輸入值，它分別是寄存器號(hào)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)以及控制寫(xiě)操作的流水線控制信號(hào)。指令流水線的寄存器堆設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，第一部分是怎樣正確的讀出指令流水線寄存器里的內(nèi)容。在這個(gè)部分中，設(shè)計(jì)的是采用一對(duì)三十二位，數(shù)據(jù)域也為三十二位的多路復(fù)用選擇器，將五個(gè)寄存器連接到多路復(fù)用選擇器上，通過(guò)兩個(gè)五位的寄存器號(hào)端口，就可以非常準(zhǔn)確的讀出所選定的寄存器里的內(nèi)容。第二個(gè)部分就是如何準(zhǔn)確的將數(shù)據(jù)存入指定的寄存器中，在這個(gè)部分將使用一個(gè)地址位為五位的解碼器，這樣這個(gè)解碼器會(huì)有三十二個(gè)選擇，將解碼器與五個(gè)與門(mén)連接，然后再將指令流水線控制信號(hào)中的寄存器寫(xiě)信號(hào)與這個(gè)與門(mén)相連，將與門(mén)的輸出結(jié)果和寄存器的時(shí)鐘端相連，再將寄存器數(shù)據(jù)接收單元和寄存器的數(shù)據(jù)段相連，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的寄存器可以很好的完成指令流水線執(zhí)行指令時(shí)所用到的關(guān)于數(shù)據(jù)的操作，這樣一個(gè)完整的寄存器堆就可以設(shè)計(jì)完成了。下面將給出在Logisim上設(shè)計(jì)的指令流水線寄存器堆設(shè)計(jì)圖： 在這個(gè)指令流水線寄存器堆中，最為重要的問(wèn)題是防止在寫(xiě)入一個(gè)指定的寄存器時(shí)，另一個(gè)寄存器里的值會(huì)發(fā)生一個(gè)不受控制的改變，因?yàn)檫@是由于寄存器的觸發(fā)屬性是在上升邊沿觸發(fā)造成的，必須要將它的觸發(fā)屬性改為高電平觸發(fā)才可以完美的解決這個(gè)問(wèn)題。 指令流水線IF/ID寄存器指令流水線IF/ID寄存器它的作用是在指令的譯碼階段存儲(chǔ)來(lái)自指令存儲(chǔ)器中的指令并且將它譯碼并且存儲(chǔ)來(lái)自PC寄存器的數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)指令流水線IF/ID寄存器的過(guò)程中最難解決的是指令流水線化的相關(guān)的處理，還有就是相當(dāng)分支指令的處理。首先解決指令流水線化以及其相關(guān)的處理方式是在指令流水線IF/ID寄存器中加入一個(gè)使能信號(hào)端，當(dāng)使能信號(hào)為一時(shí)，指令流水線IF/ID寄存器不會(huì)接受任何的數(shù)據(jù)，當(dāng)使能信號(hào)為零時(shí)指令流水線IF/ID寄存器才會(huì)接受數(shù)據(jù)。第二在遇到相等分支指令時(shí)如果指令確實(shí)要跳轉(zhuǎn)到其他的地址而不是下一條PC地址則必須將已經(jīng)進(jìn)入指令流水線的IF/ID寄存器的指令沖刷掉，這樣才能保證指令執(zhí)行的正確。解決這兩個(gè)問(wèn)題所設(shè)計(jì)出的指令流水線IF/ID寄存器將會(huì)擁有四個(gè)寄存器，一個(gè)使能信號(hào)端，一個(gè)寄存器沖刷段，兩個(gè)存儲(chǔ)來(lái)自PC寄存器的數(shù)據(jù)，兩個(gè)存儲(chǔ)來(lái)自指令存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。這四個(gè)寄存器都與各自的使能端和沖刷段相連，并且和時(shí)鐘控制信號(hào)相連。特別的指出，寄存器沖刷端只和前兩個(gè)寄存器相連，而使能信號(hào)與四個(gè)寄存器都相連。當(dāng)寄存器沖刷端信號(hào)為一時(shí)，寄存器里面的數(shù)據(jù)將全部置為零。下面將給出在Logisim上設(shè)計(jì)的指令流水線IF/ID寄存器的設(shè)計(jì)圖： 其中指令流水線IF/ID寄存器將指令劃分為四個(gè)部分，它分別為rd字段（11——15），讀寄存器1（五位），讀寄存器2（五位），OP字段（六位），符號(hào)擴(kuò)展位（十六位）。這些字段會(huì)傳送到ID/EX寄存器和流水線寄存器堆中以確保指令的正確執(zhí)行。 指令流水線ID/EX寄存器 指令流水線ID/EX寄存器它的作用是在指令的ID/EX階段傳輸和存儲(chǔ)由指令流水線控制器，流水線寄存器堆，符號(hào)擴(kuò)展單元，PC寄存器等流水線部件傳送的數(shù)據(jù)。它是整個(gè)指令流水線部件中含有寄存器最多的部件，它一共含有十一個(gè)寄存器。這十一個(gè)寄存器分別的功能是：，這個(gè)信號(hào)只有兩位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以將寄存器的數(shù)據(jù)域設(shè)置為兩位就可以了。，它的控制信號(hào)一共有三位，只要將寄存器的數(shù)據(jù)域設(shè)置為三位就可以。，這個(gè)階段的控制信號(hào)位是四位，所以要將寄存器的數(shù)據(jù)域設(shè)置為四位。，它是由PC寄存器傳來(lái)的三十二位數(shù)據(jù)，所以存儲(chǔ)它的寄存器數(shù)據(jù)域?yàn)槿?。，該?shù)據(jù)也為三十二位，所以寄存器數(shù)據(jù)域也為三十二位。，該數(shù)據(jù)也為三十二位，所以寄存器數(shù)據(jù)域也為三十二位。，這個(gè)數(shù)據(jù)是三十二位數(shù)據(jù)，則將寄存器數(shù)據(jù)域設(shè)置為三十二位的數(shù)據(jù)域?！?5位的數(shù)據(jù)，將寄存器的數(shù)據(jù)域設(shè)置為五位?！?0位的數(shù)據(jù)，并且將寄存器的數(shù)據(jù)域設(shè)置為五位就可以了。，字段為五位，則寄存器數(shù)據(jù)域也設(shè)置為五位。，字段為五位，則寄存器數(shù)據(jù)域也設(shè)置為五位。下面將給出在Logisim上設(shè)計(jì)的指令流水線ID/EX寄存器的設(shè)計(jì)圖： 在設(shè)計(jì)流水線ID/EX寄存器時(shí)需要注意的是，在遇到流水線相關(guān)時(shí)，流水線ID/EX寄存器將不會(huì)存儲(chǔ)任何來(lái)自IF譯碼階段的Rt字段的值，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的測(cè)試中，如果不這樣做的話，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)指令流水線的鎖死。 指令流水線EX/MEM寄存器 指令流水線EX/MEM寄存器它的作用是存儲(chǔ)由PC地址加法器，邏輯處理單元，ID/EX寄存器等部件傳入的數(shù)據(jù)。它一共由六個(gè)寄存器組成，它分別是第一寄存器存儲(chǔ)寫(xiě)回階段的控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是由ID/EX寄存器傳來(lái)的。第二寄存器存入存儲(chǔ)器訪問(wèn)階段的控制信號(hào)，這個(gè)控制信號(hào)也是由ID/EX寄存器傳入。第三寄存器存儲(chǔ)的是PC地址加法器傳入的數(shù)據(jù)。第四寄存器存儲(chǔ)的是由邏輯處理單元傳來(lái)的數(shù)據(jù)。第五寄存器存儲(chǔ)的是由ID/EX寄存器傳來(lái)的數(shù)據(jù)。第六個(gè)寄存器存儲(chǔ)的是由多路復(fù)用選擇器傳來(lái)的數(shù)據(jù)。下面將給出在Logisim上設(shè)計(jì)的指令流水線EX/MEM寄存器的設(shè)計(jì)圖： 指令流水線MEM/WB寄存器 指令流水線MEM/WB寄存器它的作用是存儲(chǔ)由EX/MEM寄存器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，邏輯處理單元等部件傳來(lái)的數(shù)據(jù)。MEM/WB寄存器一共有四個(gè)寄存器組成。第一個(gè)寄存器存儲(chǔ)的是寫(xiě)回階段的控制信號(hào)。第二個(gè)寄存器存儲(chǔ)的是由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器傳出的數(shù)據(jù)。第三個(gè)寄存器存儲(chǔ)的是邏輯處理單元得出的結(jié)果。第四個(gè)寄存器存儲(chǔ)的是EX/MEM寄