微处理器结构与设计-第5次课-2013-03-27_846007182

add
Address instruction
PC
Instruction memory
Data Register Register Register Register file
Address ALU Data Memory
Data
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指令1：Lw r1, offset(base) ； 操作: r1<---memory(base+offset)
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setup时间和hold时间
Setup/hold time 是对输入信号和时钟信号之间的时间要求。 建立时间是指触发 器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不 变的时间。输入信号应在时钟上升沿（如上升沿有效）之前 的T时间到达，这个T就是建立时间-Setup time.如setup time 不满足,这个数据就不能被这一时钟打入触发器， 保持时间是指触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不 变的时间。如果hold time 不够，数据同样不能被打入触发 器。 建立时间(Setup Time)和保持时间（Hold time）。建立时间 是指在时钟边沿前，数据信号需要保持不变的时间。保持时 间是指时钟跳变边沿后数据信号需要保持不变的时间。如果 不满足建立和保持时间的话，那么DFF将不能正确地采样到 数据，将会出现亚稳态的情况。
流水线多周期指令的描述（1）
4 clock cycles
IF
DE
EXE
WB
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流水线多周期指令的描述（2）
4 clock cycles
IF
DE IF
EXE DE
WB EXE WB
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流水线多周期指令的描述（3）
4 clock cycles
IF
DE IF
EXE DE IF
Data Memory
Register file
Data
J traget; 29 微电子学研究所李树国
MIPS数据通路还缺少什么？
3
连接红线可以吗？
1
MUX
+4 add add
Address instruction
PC
Instruction memory
Data Register Register Register
EXE DE IF
WB EXE DE WB EXE WB
IF
DE
IF
EXE
DE
WB
EXE WB
44
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流水线多周期指令的描述（6）
4 clock cycles
IF
DE IF
EXE DE IF
WB EXE DE WB EXE WB
IF
DE
IF
EXE
DE IF
WB
EXE DE WB EXE WB
+4 add add
Address instruction
PC
Instruction memory
Data Register Register Register
Address ALU
Data Memory
Register file
Data
Lw r1, offset(base) ; // Funcation : r1<---memory(base+offset) 27 微电子学研究所李树国
Data
AND rd, rs, rt ; 28 微电子学研究所李树国
指令 3: J target;
操作: PCPC||Target
+4 add add
Address instruction
PC
Instruction memory
Data Register Register Register
Address ALU
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指令的周期
• 单周期指令，每一条指令的执行都只需要一个 时钟周期。 • 多周期指令，每条指令需要分成若干个时钟周 期来执行。 • 流水线是一种解决多周期指令的重叠操作技术
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单周期指令的描述
clock cycle 1
IF
DE
EXE
WB
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WB EXE DE WB EXE WB
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流水线多周期指令的描述（4）
4 clock cycles
IF
DE IF
EXE DE IF
WB EXE DE WB EXE WB
IF
DE
EXE
WB
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流水线多周期指令的描述（5）
4 clock cycles
IF
DE IF
除法算法
手工除法算法
除法恢复迭代算法及其电路
寄存器P要比除数多一位
恢复迭代 P=P-B （必做） P=P+B （选做） P=P-B （必做） P=P+B （选做） P=P-B （必做） P=P+B （选做） P=P-B （必做） P=P+B （选做） .
迭代算法 P=P-2B（必做） P=P+B （选做） P=P-2B （必做） P=P+B （选做） P=P-2B （必做） P=P+B （选做） .
c o m p a r e
NPC
NPC
Exception Handler
Decoder
PC op[31-26] rs[25-21] rt[20-16] rd[15-11]
Read_RS
Data_RS
Read_RT
Data_RT Write_ad
Write_Data
WData
RS sa
l o g i c
除法不恢复迭代算法及其电路
不恢复的原因：减掉b后，直接左移1位，
相当于减掉的b变成了2b,若这次符号位为负，只需 要加b，就相当于减掉了b，即-2b+b=-b;
若为符号位为0，就继续减b 最后一次是调整还原原来的b
微处理器的数据通路和控制
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MIPS 5-stage 流水的数据通路
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3、不含浮点指令
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指令的共同性
• 取指令，送PC值给Memory • 根据指令的内容，读取1个或2个寄存器的 内容 • 除了一条跳转指令J外，其它所有的指令类 在读取寄存器后，都要使用ALU
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指令的不同性
• 使用ALU后，依据指令的不同，而进行不同 的操作，分别是：
单周期指令的描述
Clock cycle 2
IF
DE
EXE
WB IF DE EXE WB
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单周期指令的描述
Clock cycle 3
IF
DE
EXE
WB IF DE EXE WB IF DE EXE WB
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多周期指令的描述
4 clock cycles
IF
• 指令集概括为3个指令类
– 存储器访问指令类
• Lw,Sw 等
– 算术逻辑指令类
• Add,sub,and, or,Slt等
– 转移指令类
• Beg, J,等
1、尽量小，尽量简洁 2、不含乘、除、移位指令
1、make the common case fast 2、Simplicity favors Regularity
答案
1. 对无符号16位的二进制数M，在Booth编 码的情况下，会产生2M，因此，需要17 位来表示2M。 2. Booth编码第一行部分积需要3个位表示 符号位，最后一行部分积，不需要符号位 ，其它行都需要2位符号位，这就是20位 ，19位，16位的来历。 3. 乘数变成19位，这是Booth编码推导过程 所造成的
DE
EXE
WB
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多周期指令的描述（2）
4 clock cycles
IF
DE
EXE
WB IF DE EXE WB
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多周期指令的描述（3）
4 clock cycles
IF
DE
EXE
WB IF DE EXE WB IF DE EXE WB
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指令2 : AND rd, rs, rt ; 操作: rd<---rs AND rt
+4 add add
Address instruction
PC
Instruction memory
Data Register Register Register
Address ALU
Data Memory
Register file
Address ALU
Data Memory
Register file
2
Data
指令的控制逻辑
控制 逻辑
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MIPS数据通路的控制
• 缺少多路选择器MUX • 缺少每条指令的控制 • 控制通过多路选择器来实现
mux
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具有多路选择器和控制逻辑的处理器雏形
– 存储器访问指令（lw, sw）或读或写存储器 （D-Cache) – 算术逻辑指令（add,or,and）一定要把ALU计算 的值写入寄存器堆。 – 转移指令（Beq,J ），或根据ALU比较结果确定 或加4或直接转移到下一定指令地址。
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一个抽象的MIPS数据通路雏形
+4 add
4
阵 列 乘 法 器 可 以 归 纳 为 一 个 单 列 的 数 点 的 化 简
32 个
位
单列数点化简
一个32位二进制位的化简
作业
设计一个32位无符号位的乘法器
要求: （1）给出32位乘法器结构示意图（纯组合逻辑 ）
（2）给出采用的路径压缩算法或方法 （3）请给出32位时延报告（精确）和面积报告
一个16位有符号的乘法E和S确定
E=1,若被乘数为正，部分积为正，
或者是被乘数为负，部分积为负 E=0,若被乘数为正，部分积为负， 或者是被乘数为负，部分积为正 S=0, 若部分积为正， S＝1，若部分积为负
证明过程，同无符号数的过程相同
乘法阵列wallace树的化简
15 C1 C2 1 C3 C4 ● ● 2 ○ ● ○ ● 3 ○ △ ● ○ 5 ● 14 C1 C2 C3 ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● 13 C1 C2 C3 ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● 12 C1 C2 ● ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● 11 C1 C2 ● ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● 10 C1 ● ● ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● 9 C1 ● ● ● ● ● ○ ● ○ ● ○ △ ● ○ ● ● ○ 8 ● ● ● ● ● ● ○ ● ● ○ △ ○ ● ○ △ ● ○ ● ● ● △ △ ● △ △ ● △ △ ● △ ○ ● ● ● ● ● △ △ ● ○ ● ○ ● ○ ● △ ○ ● △ 7 ● ● ● ● 6 ● ● ● ● C4 ● ○ ● ● ○ ● ○ △ ● ○ ● △ ○ ● 5 ● ● ● 4 ● ● ● C3 3 ● ● 2 ● ● C2 1 ● 0 ● C1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
对有符号位的16位乘法
Bit15：最高位即符号位 Bit0：最低位
为了对2M的处理，仍需要17位,来表示
一个16位有符号Booth 2乘法阵列
有符号数的乘法，部分积个数为n/2， 这是因为，乘数最后的Booth编码，要么是“000” 或“111”，这 种编码会造成部分积为0，或-0
微处理器结构与设计
第5次课
微处理器的基本运算逻辑单元的设计
2013年3月27日
一个完整无符号16位乘法阵列
一 个 位 无 符 号
20位
问题 1: 被乘数由16位为什么变成了20位 或19位或16位？ 2：乘数由16位变成了19位，为什么？
16
Booth 4
19位
－M的求补处理
19位
乘 法 器
16位
20
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清华的Mips的指令流水线
IF
MUX EPC EEPC MUX DEPC Exception vector Branch (26)
<<2
DE
Branch PC
EX
MEM
ALN
百度文库
WB
Jump pc Jr rs <<2
connect
31-28
a d d e r
4
NPC ADD
NPC
sel
clo/z
I-TLB
I-TagComp
31
Din Dout
decode
Add rd, rs,rt ; rd <--rs+rt
CPO
RD A_in Sel B_in
MDU
Dout
(HI,LO) Din
Sel
21 流水线结构示意图
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MIPS的基本实现
22
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MIPS 指令核心子集
Read_write _address RData Aligner
Read-ICache
IR
imm[15-00] SA[10-06] Br[25-00] [03-00]
imm
ext
16
sa
RT imm
8
m u x
a d d e r
D_cache
m u x
s h i f t e r
。·
D-TLB
D-TagComp