纪禄平计算机组成原理PPT第版CPU子系统MIPS多周期数据通路

1、3.5.4 多周期MIPS处理器（数据通路）1指令周期 时钟周期 时钟周期 指令周期 多个机器(工作)周期 1、单周期CPU 2、多周期CPU CPU的指令周期对比 CPI = 1CPI 12多周期处理器的特点指令的执行需多个时钟周期不同的指令所需的时钟周期数不同时钟周期比单周期处理器短复用主要部件，以简化数据通路单个ALU用于所有计算单个存储器用于指令和数据的存储需要增加寄存器暂存数据用于跨时钟周期是流水线等高级技术的基础，主流模式控制器更复杂，组合逻辑/微程序方式控制信号不仅与指令有关，还与当前时序状态有关3与单周期CPU相比，数据通路的结构特点：各指令共享ALU增设若干暂存器指令存储与数

2、据存储合并1个存储器(存储指令+数据)，1个通用运算器；多个暂存器；4多周期处理器的设计思路指令执行过程按存储单元级的信息传送，细分为多步，每步安排1个时钟周期:共享硬件以简化数据通路（1+1+多）取指令；指令译码后从寄存器取数、计算转移地址；执行：运算、存储器地址计算，或分支判断；存储器读/写；寄存器堆写回；1个存储器(指令+数据)；1个通用运算器；多个暂存器；从R型指令数据通路开始，逐步扩展，最后再合并。5PCIRMDRABALUF1、 数据通路设计（表3-26，11条指令）PCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器operationzeroIRWrite(1)

3、R型运算指令add rd,rs,rt# $rd$rs+$rt+4PCRN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆(1) IRMemPC, PC PC+4(2) ARegrs, BRegrt(3) FA op B(4) RegrdFIRABFrsrtrd按信息传送过程划分：6(2) 扩展I型访存指令lw rt, offset(rs)# $rtMem$rs+E(offset)(1) IRMemPC, PC PC+4(2) ARegrs(3) FA+E(offset)(4) MDRMemF+4PCIRMDRABALUFPCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1

4、RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆operationzeroIRWritePCAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆E(5) RegrtMDRIRMDRAFrsrtrdimm已涵盖了I型运算指令！比如:addi rt, rs, imm7sw rt, offset(rs)# Mem$rs+E(offset) $rt(1) IRMemPC, PCPC+4(2) ARegrs, BRegrt (3) FA+E(offset)+4PCALUFPCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2W

5、NRD1RD2RegWriteWD寄堆operationzeroIRWritePCAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆E(4) MemFBMDRIRABABIRFrsrtrdimm8beq rs, rt, offset#PC (PC+4)+(E(offset)2), if $rs=$rt+4PCALUFPCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆operationzeroIRWritePCAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1R

6、N2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆EMDRIRAB(1) IRMemPC; PCPC+4, (2) ARegrs, BRegrt; FPC+E(offset)2 (3) PCF, if zero=1; NOP(不修改PC), if zero=0 ABFIR(2) 扩展I型分支指令rsrtrdimm29j address#PC(PC+4)31:28U(address2)+4PCALUFPCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆operationzeroIRWritePCAddr RDWDMemReadMemW

7、rite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆EMDRIRAB(1) IRMemPC; PCPC+4, (2) PCPC31:28U(address2) 2(3) 扩展J型j address指令2Ursrtrdaddress, 26 imm11条目标指令的数据通路设计已完成！IR4 10未整合的数据通路PC的来源：ALU_A的来源：ALU_B的来源：寄堆WD的来源：WN的来源：Addr来源：符号扩展器：0扩展(andi等), 符号扩展(addi等) rt+4PCALUFPCWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWr

8、iteWD寄堆operationzeroIRWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆EMDRIRAB22Ursrdaddressimm4PC+4(ALU),分支地址(F)，转移地址(U)MDR, F;rt, rd;PC, F；PC, A;4, B, E(offset), E(offset)211+4PCALUPCWriteRN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆operationzeroIRWriteAddr RDWDMemReadMemWrite存储器RN1RN2WNRD1RD2RegWriteWD寄堆EMDRAB22UIRF