重點(diǎn)內(nèi)容08處理器多周期實(shí)現(xiàn)

1、話題八 處理器多周期實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容:1. 基本概念2. 數(shù)據(jù)通路3. 指令執(zhí)行過程4. 控制單元設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容: 指令執(zhí)行過程, 控制單元設(shè)計(jì)一. 基本概念1. 指令周期, 機(jī)器周期, 節(jié)拍周期指令周期: 一條指令從取指到執(zhí)行完畢準(zhǔn)備取下一條指令所花費(fèi)的時(shí)間機(jī)器周期: 指令分階段執(zhí)行時(shí), 每一階段(每一步)所花費(fèi)的時(shí)間節(jié)拍周期: 節(jié)拍周期由若干個(gè)時(shí)鐘周期構(gòu)成時(shí)鐘周期: 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中往往有一個(gè)時(shí)鐘源, 它負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào). 但是由于不同部件工作速度的差異, 這個(gè)時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘信號(hào)往往需要經(jīng)過處理(倍頻, 分頻等)后才能送給不同部件使用. CPU使用的節(jié)拍信號(hào)(也叫工作脈沖)往往是由

2、時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過倍頻得到的.指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期構(gòu)成, 而且由于功能的差別, 不同的指令需要的機(jī)器周期數(shù)也有差異.機(jī)器周期由若干個(gè)節(jié)拍周期構(gòu)成, 而且由于每一步所做的操作的差別, 不同的機(jī)器周期需要的節(jié)拍周期數(shù)也有差異.節(jié)拍周期由固定數(shù)量的時(shí)鐘周期構(gòu)成. 為了簡化問題, 機(jī)器周期也往往由固定數(shù)量的節(jié)拍周期構(gòu)成, 通常由每一步操作所需要的時(shí)間中的最大者(往往和存儲(chǔ)訪問有關(guān))來確定.2. 多周期實(shí)現(xiàn) 指令的執(zhí)行過程分成若干個(gè)階段, 每一階段執(zhí)行一步操作, 即指令分步執(zhí)行. 多周期實(shí)現(xiàn)就是指令周期由多個(gè)機(jī)器周期構(gòu)成, 每個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一步操作. 多周期硬布線控制器的基本結(jié)構(gòu)如下:二. 數(shù)據(jù)通路1.

3、高層視圖 分步執(zhí)行, 每一步只含一個(gè)主要功能單元, 工作量盡量均衡. 每個(gè)主要的功能單元后增加相應(yīng)的寄存器用來保存此功能單元的處理結(jié)果, 供下一級(jí)功能單元使用. 增加時(shí)鐘控制每一步引入時(shí)鐘控制, 在時(shí)鐘信號(hào)的后期將下一級(jí)功能單元要使用的數(shù)據(jù)存入局部寄存器(對(duì)程序員不可見), 而后續(xù)指令要使用的數(shù)據(jù)則存入全局寄存器(對(duì)程序員可見). 此處局部寄存器包括: IR 指令寄存器 MDR 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器 A和B 寄存器文件讀數(shù)據(jù)寄存器 ALUout ALU輸出寄存器 所有局部寄存器(除IR外) 只在相鄰的兩個(gè)時(shí)鐘之間保存數(shù)據(jù), 因此它們無需寫控制信號(hào).2. 完整的帶控制單元的多周期數(shù)據(jù)通路說明: 本圖

4、由PPT課件第4章第1部分及頂層視圖綜合而來, 而且: 指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一, 不再分開設(shè)置; 減少了ALU, 不再重復(fù)設(shè)置; 為滿足多周期實(shí)現(xiàn)的需要, 調(diào)整并增加了幾個(gè)控制信號(hào)!回顧 單周期結(jié)構(gòu)圖三. 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行的全過程可以分為5個(gè)階段, 即5步操作.第一步: 取指令, 所有指令都有, 而且做同樣的操作.第二步: 指令譯碼并讀寄存器, 所有指令都有, 而且第三步: 執(zhí)行指令, 第四步: 繼續(xù)執(zhí)行, 第五步: 繼續(xù)執(zhí)行, 只有取數(shù)指令lw才有.1. 取指令:問題: 此時(shí)需要哪些控制信號(hào)? 數(shù)據(jù)通路的活動(dòng):需要的控制信號(hào):2. 指令譯碼并讀寄存器 數(shù)據(jù)通路活動(dòng):需要的控制信號(hào)

5、:3. 執(zhí)行(所有指令, 不同指令有所差別)內(nèi)存訪問指令的數(shù)據(jù)通路活動(dòng):R型指令的數(shù)據(jù)通路活動(dòng):Beq指令的數(shù)據(jù)通路活動(dòng):J指令的數(shù)據(jù)通路活動(dòng):需要的控制信號(hào):4. 繼續(xù)執(zhí)行取數(shù)lw指令的數(shù)據(jù)通路:存數(shù)sw指令的數(shù)據(jù)通路:R型指令的數(shù)據(jù)通路:此時(shí)需要的控制信號(hào):5. 繼續(xù)執(zhí)行取數(shù)指令lw的數(shù)據(jù)通路活動(dòng):此時(shí)需要的控制信號(hào):四. 控制單元的設(shè)計(jì)采用多周期實(shí)現(xiàn)時(shí), ALU控制單元的實(shí)現(xiàn)跟單周期實(shí)現(xiàn)一樣, 主控制單元的實(shí)現(xiàn)需要做相應(yīng)的調(diào)整: 主要是引入時(shí)鐘信號(hào), 根據(jù)時(shí)鐘信號(hào), 分步產(chǎn)生各步操作需要的控制信號(hào).1. 回顧ALU控制單元的設(shè)計(jì)主控制單元根據(jù)指令opcode字段產(chǎn)生ALU操作位ALUOp

6、 bitsALU控制單元根據(jù)ALUOp bits及指令的funct字段產(chǎn)生ALU 操作控制信號(hào).Instr opfunctALUOpactionALUcontrollwxxxxxx00add0110swxxxxxx00add0110beqxxxxxx01subtract1110add10000010add0110subt10001010subtract1110and10010010and0000or10010110or0001xor10011010xor0010nor10011110nor0011slt10101010slt11112. 主控制單元的設(shè)計(jì)多周期實(shí)現(xiàn)時(shí), 主控制單元產(chǎn)生控制信號(hào)的根據(jù)包括指令操作碼和當(dāng)前操作階段. 換言之, 指令不同, 操作階段不同, 需要的控制信號(hào)也有所不同.因此可以用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)主控制單元.有