【正文】 一 個(gè)問(wèn)題就是它的時(shí)序問(wèn)題，也就是說(shuō)，什么時(shí)候指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)該是存入數(shù)據(jù)，什么什么它應(yīng)該讀出數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的寄存器中。那么這個(gè)指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器肯定需要兩個(gè)信號(hào)端口，一個(gè)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)端口，另一個(gè)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)端口。綜上所述指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一共有六個(gè)單元組成，它依次是：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址接收端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)接收端，存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)接收端，數(shù)據(jù)輸出單元，以及最后的 RAM 存儲(chǔ)器單元。 下面將給出在 Logisim 上設(shè)計(jì)的 指令 流水線 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的設(shè)計(jì) 圖 ： 圖 其中 MemWrite 就是指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫(xiě)信號(hào)端，而 MemRead 就是指令流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀信號(hào)端。流水線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址接收端為五位，數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)傳出端都的數(shù)據(jù)域都為三十二位。 RAM 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)域也為三重慶大學(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) 22 十二位，它一共可以存儲(chǔ) 32 個(gè)三十二位的數(shù)據(jù)。 指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器 指令 流水線 的數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器這是整個(gè)指令流水線設(shè)計(jì)中最為難設(shè)計(jì)的部件，因?yàn)樗闹饕δ芫褪谴_保整個(gè)流水線在執(zhí)行過(guò)程中，如果遇到數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)時(shí)可以正確的處理流水線的整體運(yùn)行情況，以確保指令的正確執(zhí)行。所謂數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)即是假如有一條指令，它正在執(zhí)行，但是它所需要的一些執(zhí)行數(shù)據(jù)卻依賴(lài)于它自己之前一條指令執(zhí)行的結(jié)果，這就是數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)。比如說(shuō)這個(gè)例子，有一條 add指令，但是，它的后面一條指令也是一條 add指令，而這條 add指令缺要用到上一條指令的計(jì)算結(jié)果： add $0,$1,$2 add $3,$0,$4 如果沒(méi)有數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器的話，而編譯的指令又不增加三條空操作的話（因?yàn)榈谝粭l add 指令它要到第五步才會(huì)執(zhí)行出它的結(jié)果），指令流水線指令的執(zhí)行結(jié)果肯定會(huì)出錯(cuò)。但是如果加上了指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器的話，它只會(huì)停頓一共時(shí)鐘周期就可以正常的執(zhí)行了。指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器的作用就是當(dāng)流水線處于數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)的情況時(shí)，流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)在 ALU 生成結(jié)果的同時(shí)馬上將其結(jié)果傳輸?shù)较鄬?duì)應(yīng)的邏輯處理單元中。而且流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器還可以將 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里面的值也傳輸?shù)较鄬?duì)應(yīng)的邏輯處理單元中。接下來(lái)將闡述怎么樣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器這個(gè)邏輯部件才可以做到上述所說(shuō)的一切。這里將給出具體的冒險(xiǎn)判別式： （ 1） EX冒險(xiǎn) if （ EX/ and （ EX/ ≠ 0 ） and (EX/=ID/)） ForwardA=10 If （ EX/ and (EX/ ≠ 0) and (EX/=ID/)） ForwardB=10 (2)MEM 冒險(xiǎn) if（ MEM/ and (MEM/≠ 0)and (EX/≠ ID/)and (MEM/=ID/) ）ForwardA=01 if（ MEM/ and (MEM/≠ 0)and (EX/≠ ID/)and (MEM/=ID/) ）ForwardB=01 下面來(lái)解釋下上式中具體每一個(gè)值在指令流水線中代表的含義。 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) 23 信號(hào)。 寄存器中的數(shù)據(jù) 存器中的數(shù)據(jù)。 寄存器中的數(shù)據(jù)。 存器中的數(shù)據(jù) Regwrite 信號(hào)。 EX/=ID/ 其實(shí)指的就是上一條指令它執(zhí)行的結(jié)果是即將要執(zhí)行指令的第一源寄存器所需要的。因?yàn)?EX/ 代表已經(jīng)執(zhí)行的指令目的寄存器號(hào)，而 ID/ 代表的是下一條指令的第一源寄存器號(hào)，當(dāng)一條指令的目的寄存器號(hào)等于下一條指令的第一源寄存器號(hào)就說(shuō)明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)。所以將 ALU中第一個(gè)端口前的多路復(fù)用選擇器的選擇號(hào)置為 10。 EX/=ID/ 其實(shí)指的就是上一條指令的結(jié)果是即將要執(zhí)行指令的第二源寄存器所需要的。因?yàn)?EX/ 代表已經(jīng)執(zhí)行的指令目的寄存器號(hào)，而 ID/ 代表的是 下一條指令的第二源寄存器號(hào)，當(dāng)一條指令的目的寄存器號(hào)等于下一條指令的第二源寄存器號(hào)就說(shuō)明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)。所以將 ALU 中第二個(gè)端口前的多路復(fù)用選擇器的選擇號(hào)置為 10。 MEM/=ID/ 其實(shí)指的就是上一條指令它執(zhí)行的結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中但是它確是將要執(zhí)行指令的第一源寄存器所需要的。因?yàn)?MEM/ 代表已經(jīng)執(zhí)行到 MEM 階段指令目的寄存器號(hào)，而ID/ 代表的是下一條指令的第一源寄存器號(hào) ，當(dāng)一條指令的目的寄存器號(hào)等于下一條指令的第一源寄存器號(hào)就說(shuō)明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)。所以將 ALU 中第一個(gè)端口前的多路復(fù)用選擇器的選擇號(hào)置為 01。 MEM/=ID/ 其實(shí)指的就是上一條指令它執(zhí)行的結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中但是它確是將要執(zhí)行指令的第二源寄存器所需要的。因?yàn)?MEM/ 代表已經(jīng)執(zhí)行到 MEM 階段指令目的寄存器號(hào)，而ID/ 代表的是下一條指令的第二源寄存器號(hào)，當(dāng)一條指令的目的寄存器號(hào)等于下一 條指令的第一源寄存器號(hào)就說(shuō)明，這條指令和下一條指令發(fā)生重慶大學(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) 24 了數(shù)據(jù)相關(guān)。所以將 ALU 中第二個(gè)端口前的多路復(fù)用選擇器的選擇號(hào)置為 01。 下面將介紹如何用 Logisim 來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器。首先設(shè)計(jì)的是 MEM 冒險(xiǎn)階段 ForwardA 輸出的邏輯圖。由于它的條件是： if （ MEM/ and (MEM/ ≠ 0)and (EX/ ≠ ID/)and (MEM/=ID/)） 則的設(shè)計(jì)方法是將 信號(hào)和一個(gè)一直置為 1 的信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，將結(jié)果連接入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。再將 寄存器號(hào)與一個(gè)一直置為零的信號(hào)用比較器進(jìn)行比較，而比較器的結(jié)果是從大于和等于端口輸出，這兩個(gè)輸入的結(jié)果將會(huì)和一個(gè)或門(mén)相運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果也將連入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。將 和 兩個(gè)數(shù)據(jù)送入比較器中運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果也是從大于和等于端口輸出，這兩個(gè)輸出結(jié)果也會(huì)和一個(gè)或門(mén)相運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果將輸入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器中。繼續(xù)將 接收端和 接收端的數(shù)據(jù)與比較器相運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是從比較器的相等端口輸出，其輸出結(jié)果也輸入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。其實(shí)這個(gè)反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器的作用就是將前面里提到的四個(gè)數(shù)據(jù)合為一起組成第一 ROM ForwardA 單元的地址。在指令執(zhí)行時(shí)，第一 ROM ForwardA 單元會(huì)根據(jù)第一四路數(shù)據(jù)分離器傳輸?shù)牡刂穪?lái)輸出它所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。下面將給出第一部分在 Logisim 上面設(shè)計(jì)的邏輯部件圖： 圖 數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器第一部分 第二部分的邏輯設(shè)計(jì)的構(gòu)想是這樣的，將第一與門(mén)和第一或門(mén)的輸出結(jié)果傳送到反向使用的第二四路數(shù)據(jù)分離器中。再將 接收端和 接收重慶大學(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) 25 端兩個(gè)數(shù)據(jù)傳入第四比較器想做運(yùn)算，比較的結(jié)果從大于和小于端口輸出，而這兩個(gè)輸出結(jié)果被傳送到第 三或門(mén)，第三或門(mén)的運(yùn)算結(jié)果最后直接傳至反向使用的第二四路數(shù)據(jù)分離器上。繼續(xù)將 接收端數(shù)據(jù)和 接收數(shù)據(jù)傳入到第五比較器中，其比較結(jié)果直接傳入反向使用的第二四路數(shù)據(jù)分離器中。這樣反向使用的第二四路數(shù)據(jù)分離器就會(huì)使用傳輸過(guò)來(lái)的四個(gè)數(shù)據(jù)組合起來(lái)，組合后的數(shù)據(jù)將成為第二 ROM ForwardB 單元的地址。下面將給出在 Logisim 上第二部分的邏輯設(shè)計(jì)圖： 圖 數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器第二部分 下面將介紹第三部分的邏輯設(shè)計(jì)構(gòu)想：首先將一直置為一的 數(shù)據(jù)和 信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙c門(mén)進(jìn)行與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果傳入反向使用的第一三路數(shù)據(jù)分離器中。然后讓 信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)和一直置為零信號(hào)端的數(shù)據(jù)都傳入第六比較器中，運(yùn)算的結(jié)果從大于和小于端輸出，輸出的結(jié)果將傳入第四或門(mén)，或門(mén)進(jìn)行運(yùn)算后將傳入反向使用的第一三路數(shù)據(jù)分離器中。繼續(xù)將 信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)和 信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)傳入第七比較器中，其比較結(jié)果直接傳入反向使用的第一三路數(shù)據(jù)分離器中。這樣一來(lái)，反向使用的三路數(shù)據(jù)分離器就可以將傳入的三個(gè)數(shù)據(jù)組合為地址， 這個(gè)地址將傳輸至第三 ROM ForwardA 單元，該單元會(huì)根據(jù)傳輸?shù)牡刂穪?lái)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。下面在 Logisim 上的設(shè)計(jì)元件圖將給出： 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) 26 圖 數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器第三部分 最后一個(gè)分部的設(shè)計(jì)構(gòu)想是這樣的，將第五或門(mén)的輸出數(shù)據(jù)和第四或門(mén)的數(shù)據(jù)都分別傳送到反向使用的第二三路數(shù)據(jù)分離器中。然后將 接收端的數(shù)據(jù)和 接收端的數(shù)據(jù)都傳送至第八比較器中，比較結(jié)果從相等端輸入至反向使用的第二三路數(shù)據(jù)分離器中。這樣第二三路分離器就可以將 傳送來(lái)的三個(gè)數(shù)據(jù)組合為第四 ForwardB 單元的地址了。有了這個(gè)地址，第四 ForwardB 單元將會(huì)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這里會(huì)給出最后一部分的 Logisim設(shè)計(jì)圖： 圖 數(shù) 據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器第四部分 下面將給出個(gè)數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)整體設(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) 27 圖 數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)圖 其中在 ForwardA數(shù)據(jù)傳輸端和 ForwardB數(shù)據(jù)傳輸端這兩個(gè)端口前面都分別加兩個(gè)與門(mén)的目的是確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。因?yàn)閮蓚€(gè) ROMForwardA 單元和兩個(gè)ROMForwardB單元它傳輸?shù)闹灯渲幸欢ㄖ荒苡幸粋€(gè)傳入 ForwardA 和 ForwardB端口中。 指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器 指令 流水線 的數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器它的作用是在指令流水線執(zhí)行過(guò)程 中發(fā)生了數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)中的阻塞時(shí)，它可以很及時(shí)的暫停流水線的流動(dòng)，以確保流水線中所以指令的正確執(zhí)行。導(dǎo)致指令流水線中發(fā)生阻塞的原因就是當(dāng)一條指令準(zhǔn)備要讀取某個(gè)寄存器時(shí)，但是，它是它的前一條指令是取出指令，更重要的是取出指令它要寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)的寄存器是現(xiàn)在正在執(zhí)行指令所需要讀取的寄存器，這時(shí)就發(fā)生了指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)。下面將給出指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器的邏輯公式設(shè)計(jì)： If( ID/ and ((ID/=IF/)or(ID/=IF/rRt))) 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) 28 下面來(lái)解釋下，上述式子每一個(gè)值代表的信號(hào)來(lái)源： 號(hào)。 ，其實(shí)它代表的是指令的第二源寄存器號(hào)。 號(hào)，它其實(shí)代表的是指令的第一源寄存器號(hào)。 ，它其實(shí)代表的是指令的第二源寄存器號(hào)。 ID/ 它不為零時(shí)，這時(shí)代表指令流水線正在進(jìn)行取指令階段，而(ID/=IF/)or(ID/=IF/Rt)這個(gè)代表的是，下一條指令所訪問(wèn)的寄存器和前一條指令所需要寫(xiě)入的寄存器是同一個(gè)寄存器。所以根據(jù)上面的式子就可以在 Logisim 上設(shè)計(jì)出指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器了。 具體的設(shè)計(jì)步驟如下： 首先將一個(gè)一直置為 1 數(shù)據(jù)和 ID/ 傳輸?shù)?第一與門(mén)進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果送到第二與門(mén)。然后將 ID/ 信號(hào)和 IF/信號(hào)都傳輸至第一比較器中，比較結(jié)果從相等端口輸出至或門(mén)中。再將ID/ 信號(hào)和 IF/ 信號(hào)送人第二比較器中，比較結(jié)果也從相等端口輸出，并且也輸出至或門(mén)中。在或門(mén)進(jìn)行運(yùn)算后數(shù)據(jù)傳輸至第二與門(mén)中。最后第二與門(mén)進(jìn)行運(yùn)算后，其結(jié)果全部傳輸?shù)饺齻€(gè)輸出端口中，這三個(gè)輸出端口的名字分別是： PCWrite， IFWrite，控制碼清零。下面將給出在 Logisim上 設(shè)計(jì)的指令流水線數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)阻塞器： 重