【正文】 一 個問題就是它的時序問題，也就是說，什么時候指令流水線數(shù)據(jù)存儲器應該是存入數(shù)據(jù)，什么什么它應該讀出數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳募拇嫫髦小Ｄ敲催@個指令流水線數(shù)據(jù)存儲器肯定需要兩個信號端口，一個是數(shù)據(jù)存儲器讀信號端口，另一個是數(shù)據(jù)存儲器寫信號端口。綜上所述指令流水線數(shù)據(jù)存儲器一共有六個單元組成，它依次是：數(shù)據(jù)存儲器地址接收端，數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)存儲器讀信號接收端，存儲器寫信號接收端，數(shù)據(jù)輸出單元，以及最后的 RAM 存儲器單元。 下面將給出在 Logisim 上設計的 指令 流水線 數(shù)據(jù)存儲器 的設計 圖 ： 圖 其中 MemWrite 就是指令流水線數(shù)據(jù)存儲器的寫信號端，而 MemRead 就是指令流水線數(shù)據(jù)存儲器的讀信號端。流水線數(shù)據(jù)存儲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 存儲器的數(shù)據(jù)域也為三重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 22 十二位，它一共可以存儲 32 個三十二位的數(shù)據(jù)。 指令流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器 指令 流水線 的數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器這是整個指令流水線設計中最為難設計的部件，因為它的主要功能就是確保整個流水線在執(zhí)行過程中，如果遇到數(shù)據(jù)冒險時可以正確的處理流水線的整體運行情況，以確保指令的正確執(zhí)行。所謂數(shù)據(jù)冒險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)卻依賴于它自己之前一條指令執(zhí)行的結果，這就是數(shù)據(jù)冒險。比如說這個例子，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算結果： add $0,$1,$2 add $3,$0,$4 如果沒有數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器的話，而編譯的指令又不增加三條空操作的話（因為第一條 add 指令它要到第五步才會執(zhí)行出它的結果），指令流水線指令的執(zhí)行結果肯定會出錯。但是如果加上了指令流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器的話，它只會停頓一共時鐘周期就可以正常的執(zhí)行了。指令流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器的作用就是當流水線處于數(shù)據(jù)冒險的情況時，流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器會在 ALU 生成結果的同時馬上將其結果傳輸?shù)较鄬倪壿嬏幚韱卧?。而且流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器還可以將 數(shù)據(jù)存儲器里面的值也傳輸?shù)较鄬倪壿嬏幚韱卧?。接下來將闡述怎么樣設計數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器這個邏輯部件才可以做到上述所說的一切。這里將給出具體的冒險判別式： （ 1） EX冒險 if （ EX/ and （ EX/ ≠ 0 ） and (EX/=ID/)） ForwardA=10 If （ EX/ and (EX/ ≠ 0) and (EX/=ID/)） ForwardB=10 (2)MEM 冒險 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 下面來解釋下上式中具體每一個值在指令流水線中代表的含義。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 23 信號。 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。 EX/=ID/ 其實指的就是上一條指令它執(zhí)行的結果是即將要執(zhí)行指令的第一源寄存器所需要的。因為 EX/ 代表已經(jīng)執(zhí)行的指令目的寄存器號，而 ID/ 代表的是下一條指令的第一源寄存器號，當一條指令的目的寄存器號等于下一條指令的第一源寄存器號就說明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關。所以將 ALU中第一個端口前的多路復用選擇器的選擇號置為 10。 EX/=ID/ 其實指的就是上一條指令的結果是即將要執(zhí)行指令的第二源寄存器所需要的。因為 EX/ 代表已經(jīng)執(zhí)行的指令目的寄存器號，而 ID/ 代表的是 下一條指令的第二源寄存器號，當一條指令的目的寄存器號等于下一條指令的第二源寄存器號就說明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關。所以將 ALU 中第二個端口前的多路復用選擇器的選擇號置為 10。 MEM/=ID/ 其實指的就是上一條指令它執(zhí)行的結果會存儲到數(shù)據(jù)存儲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。因為 MEM/ 代表已經(jīng)執(zhí)行到 MEM 階段指令目的寄存器號，而ID/ 代表的是下一條指令的第一源寄存器號 ，當一條指令的目的寄存器號等于下一條指令的第一源寄存器號就說明，這條指令和下一條指令發(fā)生了數(shù)據(jù)相關。所以將 ALU 中第一個端口前的多路復用選擇器的選擇號置為 01。 MEM/=ID/ 其實指的就是上一條指令它執(zhí)行的結果會存儲到數(shù)據(jù)存儲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。因為 MEM/ 代表已經(jīng)執(zhí)行到 MEM 階段指令目的寄存器號，而ID/ 代表的是下一條指令的第二源寄存器號，當一條指令的目的寄存器號等于下一 條指令的第一源寄存器號就說明，這條指令和下一條指令發(fā)生重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 24 了數(shù)據(jù)相關。所以將 ALU 中第二個端口前的多路復用選擇器的選擇號置為 01。 下面將介紹如何用 Logisim 來設計這個指令流水線數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器。首先設計的是 MEM 冒險階段 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/)） 則的設計方法是將 信號和一個一直置為 1 的信號進行與運算，將結果連接入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。再將 寄存器號與一個一直置為零的信號用比較器進行比較，而比較器的結果是從大于和等于端口輸出，這兩個輸入的結果將會和一個或門相運算，其運算結果也將連入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。將 和 兩個數(shù)據(jù)送入比較器中運算，其運算結果也是從大于和等于端口輸出，這兩個輸出結果也會和一個或門相運算，運算的結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)與比較器相運算，其運算結果是從比較器的相等端口輸出，其輸出結果也輸入反向使用的第一四路數(shù)據(jù)分離器上。其實這個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，第一 ROM ForwardA 單元會根據(jù)第一四路數(shù)據(jù)分離器傳輸?shù)牡刂穪磔敵鏊鎯Φ臄?shù)據(jù)。下面將給出第一部分在 Logisim 上面設計的邏輯部件圖： 圖 數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器第一部分 第二部分的邏輯設計的構想是這樣的，將第一與門和第一或門的輸出結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 接收重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 25 端兩個數(shù)據(jù)傳入第四比較器想做運算，比較的結果從大于和小于端口輸出，而這兩個輸出結果被傳送到第 三或門，第三或門的運算結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)分離器就會使用傳輸過來的四個數(shù)據(jù)組合起來，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計圖： 圖 數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器第二部分 下面將介紹第三部分的邏輯設計構想：首先將一直置為一的 數(shù)據(jù)和 信號接收端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙c門進行與運算，運算結果傳入反向使用的第一三路數(shù)據(jù)分離器中。然后讓 信號接收端的數(shù)據(jù)和一直置為零信號端的數(shù)據(jù)都傳入第六比較器中，運算的結果從大于和小于端輸出，輸出的結果將傳入第四或門，或門進行運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 信號接收端的數(shù)據(jù)和 信號接收端的數(shù)據(jù)傳入第七比較器中，其比較結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，反向使用的三路數(shù)據(jù)分離器就可以將傳入的三個數(shù)據(jù)組合為地址， 這個地址將傳輸至第三 ROM ForwardA 單元，該單元會根據(jù)傳輸?shù)牡刂穪磔敵鱿鄳臄?shù)據(jù)。下面在 Logisim 上的設計元件圖將給出： 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 26 圖 數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器第三部分 最后一個分部的設計構想是這樣的，將第五或門的輸出數(shù)據(jù)和第四或門的數(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 傳送來的三個數(shù)據(jù)組合為第四 ForwardB 單元的地址了。有了這個地址，第四 ForwardB 單元將會輸出相應的數(shù)據(jù)。這里會給出最后一部分的 Logisim設計圖： 圖 數(shù) 據(jù)冒險轉發(fā)器第四部分 下面將給出個數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器的設計整體設計圖： 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 27 圖 數(shù)據(jù)冒險轉發(fā)器設計圖 其中在 ForwardA數(shù)據(jù)傳輸端和 ForwardB數(shù)據(jù)傳輸端這兩個端口前面都分別加兩個與門的目的是確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。因為兩個 ROMForwardA 單元和兩個ROMForwardB單元它傳輸?shù)闹灯渲幸欢ㄖ荒苡幸粋€傳入 ForwardA 和 ForwardB端口中。 指令流水線數(shù)據(jù)冒險阻塞器 指令 流水線 的數(shù)據(jù)冒險阻塞器它的作用是在指令流水線執(zhí)行過程 中發(fā)生了數(shù)據(jù)冒險中的阻塞時，它可以很及時的暫停流水線的流動，以確保流水線中所以指令的正確執(zhí)行。導致指令流水線中發(fā)生阻塞的原因就是當一條指令準備要讀取某個寄存器時，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進數(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，這時就發(fā)生了指令流水線數(shù)據(jù)冒險。下面將給出指令流水線數(shù)據(jù)冒險阻塞器的邏輯公式設計： If( ID/ and ((ID/=IF/)or(ID/=IF/rRt))) 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 指令靜態(tài)五級流水線的總體設計 28 下面來解釋下，上述式子每一個值代表的信號來源： 號。 ，其實它代表的是指令的第二源寄存器號。 號，它其實代表的是指令的第一源寄存器號。 ，它其實代表的是指令的第二源寄存器號。 ID/ 它不為零時，這時代表指令流水線正在進行取指令階段，而(ID/=IF/)or(ID/=IF/Rt)這個代表的是，下一條指令所訪問的寄存器和前一條指令所需要寫入的寄存器是同一個寄存器。所以根據(jù)上面的式子就可以在 Logisim 上設計出指令流水線數(shù)據(jù)冒險阻塞器了。 具體的設計步驟如下： 首先將一個一直置為 1 數(shù)據(jù)和 ID/ 傳輸?shù)?第一與門進行運算，其運算結果送到第二與門。然后將 ID/ 信號和 IF/信號都傳輸至第一比較器中，比較結果從相等端口輸出至或門中。再將ID/ 信號和 IF/ 信號送人第二比較器中，比較結果也從相等端口輸出，并且也輸出至或門中。在或門進行運算后數(shù)據(jù)傳輸至第二與門中。最后第二與門進行運算后，其結果全部傳輸?shù)饺齻€輸出端口中，這三個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 設計的指令流水線數(shù)據(jù)冒險阻塞器： 重