指令集的实现与流水线结构
指令集的实现与流水线结构
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Computer Architecture Spring 2016
算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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Computer Architecture Spring 2016
4、流水线需要有“填充时间”（第一个任务流出结果所需的时间）， 在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出 一个结果；
5、流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供 任务，流水线的效率才能充分发挥。
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Computer Architecture Spring 2016
部件级、处理机级及处理机间流水线
所谓部件级流水线又叫运算操作流水线（Arithmetic pipelines），它是把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各 种数据类型进行流水操作。
所谓处理机级流水线，又叫指令流水线（Instruction pipelines），它是把解释指令的过程按照流水方式处理。
所谓处理机间流水线，又叫宏流水线（Macro pipelines）。
段空 号间
8 7 6
浮点加 1 2 3 … … n-1 n
定点乘 一
一二 一二三
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四
时间
静态流水线 11
Computer Architecture Spring 2016
指令集详解
指令集详解一、指令集概述指令集是计算机体系结构中的一部分，它规定了计算机指令的语法和语义，以及指令的操作码和操作数。
指令集是实现操作系统、编译器、汇编器等软件的基础，也是评估计算机性能的重要指标之一。
根据指令集的特点和应用场景，可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两类。
二、指令集架构类型1.复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机（CISC）是指令集的一种类型，其特点是采用长指令字、具有丰富的指令集和复杂的寻址方式。
CISC可以处理各种复杂的计算和数据处理任务，但是其结构较为复杂，功耗较大，成本较高。
常见的CISC架构有x86、MIPS等。
2.精简指令集（RISC）精简指令集计算机（RISC）是另一种指令集类型，其特点是采用短指令字、具有较少的指令集和简单的寻址方式。
RISC结构简单，功耗较低，成本较低，适用于高性能计算和低功耗应用。
常见的RISC架构有ARM、MIPS、PowerPC等。
三、指令集指令格式指令集的指令格式是指令集的一个重要组成部分，它规定了指令的长度、操作码、操作数等信息的格式。
根据不同的指令集类型，指令格式也有所不同。
在CISC架构中，指令长度通常较长，操作码和操作数的比例较高，而在RISC架构中，指令长度较短，操作码和操作数的比例较低。
四、指令集优化技术为了提高计算机的性能，可以采用多种指令集优化技术。
常见的指令集优化技术包括：1.流水线技术：通过将指令执行过程划分为多个阶段，使得多个指令同时执行，提高计算机的吞吐量。
2.寄存器重命名技术：通过为每个寄存器分配一个唯一的名称，避免在指令执行过程中出现数据相关的问题。
3.推测执行技术：通过预测程序中的分支语句，提前执行可能的分支路径，减少分支对计算机性能的影响。
4.并行计算技术：通过多线程、多核等技术实现并行计算，提高计算机的处理能力。
5.动态编译技术：通过实时优化代码，提高程序的执行效率。
五、常见指令集简介1.x86指令集x86指令集是一种常见的复杂指令集，广泛应用于PC和服务器领域。
mips 实验报告
MIPS实验报告1. 引言MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的指令集架构（ISA），被广泛应用于计算机体系结构的教学和研究中。
本实验报告将介绍使用MIPS指令集实现的一系列实验，包括指令执行、流水线设计和缓存优化等。
2. 实验目标本次实验的主要目标是通过设计和实现一系列MIPS指令，加深对计算机体系结构的理解，并掌握MIPS指令的执行过程和流水线设计。
3. 实验环境为了完成实验，我们使用了MIPS模拟器和相应的开发工具。
这些工具提供了一个仿真环境，可以在计算机上执行MIPS指令，并提供了调试和测试的功能。
4. 实验步骤步骤1：设计指令首先，我们需要设计一系列MIPS指令，以实现特定的功能。
例如，我们可以设计一个加法指令，将两个寄存器中的值相加，并将结果存储到另一个寄存器中。
步骤2：实现指令接下来，我们需要在MIPS模拟器中实现这些指令。
通过编写相应的汇编代码，我们可以将指令转化为机器码，并在模拟器中执行。
步骤3：调试和测试一旦指令实现完成，我们就可以开始调试和测试。
通过单步执行指令，我们可以观察程序的执行过程，并检查寄存器和内存中的数据是否符合预期。
步骤4：性能优化在实现指令的过程中，我们还可以考虑对程序进行性能优化。
例如，通过引入流水线技术，可以提高指令的执行速度。
此外，我们还可以设计和实现缓存系统，以减少内存访问的延迟。
5. 实验结果经过一系列的设计、实现和优化，我们成功完成了MIPS指令的实验。
通过观察实验结果，我们可以得出一些结论和发现。
6. 结论本次实验通过设计和实现MIPS指令，加深了对计算机体系结构的理解，并掌握了MIPS指令的执行过程和流水线设计。
通过调试和测试，我们进一步完善和优化了指令的实现。
实验结果表明，我们的设计能够成功执行各种指令，并具有一定的性能优化。
7. 参考文献参考文献提供了关于MIPS指令集和计算机体系结构的详细信息，为本实验提供了重要的支持和指导。
mips控制器设计实验原理
mips控制器设计实验原理MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种32位的RISC （Reduced Instruction Set Computing）处理器架构，旨在提高处理器效率和性能。
MIPS 架构的处理器被广泛应用于各种领域，包括计算机、嵌入式系统、网络设备、数字信号处理等需要高性能的应用中。
在本实验中，我们将学习如何设计一个基于MIPS控制器的处理器。
控制器是一个能够控制处理器各个子系统如存储器、算术逻辑单元（ALU）、输入/输出设备等的模块。
MIPS控制器的设计是关键，因为它可以决定处理器的运行效率和性能。
MIPS控制器的设计需要考虑以下几个方面：1. 指令解码MIPS指令集包含了大量的指令，但是由于指令采用RISC架构，指令集中的每一个指令都很简单，只有少量的寄存器、立即数和内存操作。
控制器需要能够识别每一个指令，并正确地解码指令中的操作数。
为了实现这个目标，控制器需要包含适当的译码电路和其他必要的逻辑门电路。
2. 流水线控制流水线是一种增加处理器效率和性能的技术，通过将指令的执行拆分为多个阶段，多个指令可以在同一时刻被处理。
MIPS架构使用了5级流水线结构，即取指令、指令译码、执行、访问存储器和写回结果。
控制器需要能够控制流水线的各个阶段，确保它们按照正确的顺序执行。
3. 异常处理处理器在执行指令时可能会出现各种错误，如未定义的指令、内存访问冲突、算术溢出等。
这些错误称作异常。
处理器需要能够捕获异常并采取适当的措施，如停止当前指令的执行、中断指令流并处理异常。
控制器需要包含适当的硬件和逻辑电路来处理异常。
4. 输入/输出一个处理器需要有输入/输出接口来连接外部设备，如键盘、鼠标、显示器、网络等。
这些设备通过输入输出端口（I/O端口）与处理器相连。
控制器需要能够控制I/O端口的数据传输，并确保数据在正确的时刻被传输。
计算机体系结构之流水线技术(ppt 125页)
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
流水线结构在cpu中的运用是一种
流水线结构在cpu中的运用是一种随着现代科技的飞速发展，计算机已经成为当今社会不可或缺的重要部分。
其中，主要由中央处理器（CPU）驱动，因此，研究CPU性能和效率非常重要。
流水线结构是增强CPU性能和效率的重要手段，它已经成为CPU设计的核心技术。
流水线结构实际上是围绕一组有序的处理指令，将其分解为一系列子步骤，其中每个子步骤都在独立的层次上进行处理的一种结构。
流水线的工作原理是，不同的指令或操作在不同的阶段完成，每一节点都具有特定的功能和任务。
它允许几个指令同时处理，从而提高了CPU的效率。
由于指令可以并行执行，流水线技术允许CPU在一个时钟周期中完成较多的操作。
流水线结构被用于处理机架构和微型计算机中，以及处理更大更复杂操作的个人计算机系统。
流水线结构的术语指的是一系列的处理步骤，称为管道。
当一条指令进入流水线时，就开始执行。
每条指令在每个管道中都有自己的子步骤，在子步骤完成后，接下来的步骤继续执行，直到完成所有的操作。
流水线结构的主要优势在于可以将CPU处理速度提高数十倍，大大提高系统性能和效率。
管道技术可以更有效地利用CPU时钟周期，并减少完成指令所需时间。
除此之外，流水线结构还可以增加指令集的复杂性，以及增大对存储器的容量要求。
当前，流水线结构可以在几乎所有的微处理器中找到应用。
流水线结构在处理器中发挥着至关重要的作用，它几乎已经成为处理器设计的基础和关键技术要素。
例如，Intel Pentium处理器采用流水线结构，共有5个独立管道，每个管道中都有一系列子步骤，以处理特定指令。
这使得处理器能够在极短的时间内完成较多的操作，从而实现极高的吞吐量。
此外，流水线结构也可以应用于多核处理器的设计中，使每个核心能够独立地处理指令，极大地提高处理器的效率。
例如，AMD的多核处理器都采用流水线结构，它们可以同时处理多个指令，从而提高处理器的性能和效率。
虽然流水线结构可以极大地增加处理器的效率，但是它也存在一些缺点。
计算机体系结构实训课程学习总结指令级并行与流水线设计
计算机体系结构实训课程学习总结指令级并行与流水线设计在计算机科学与技术领域中，计算机体系结构是一门关于计算机硬件与软件的核心学科。
在我修习的计算机体系结构实训课程中，我学习了指令级并行与流水线设计，掌握了该领域的核心概念与技术，下面是我对该课程的学习总结和心得体会。
一、指令级并行概述指令级并行是指在一个周期内同时执行多条指令，以减少指令的执行时间，提高计算机的性能。
在学习指令级并行的过程中，我了解了计算机指令的基本原理及其执行过程。
通过学习指令流水线、数据前推、乱序执行等技术，我深入理解了指令级并行的优势和实现方法。
在实训过程中，我通过搭建指令级并行的实验平台，进行了仿真实验和性能分析。
通过比较顺序执行和指令级并行执行的效果，我发现指令级并行可以大幅度提高计算机的执行效率。
而在实现指令级并行时，我也面临了一些挑战，如数据相关、控制相关等问题，但通过优化代码和调整指令执行顺序，我成功地解决了这些问题。
这个过程让我深刻体会到指令级并行设计的重要性和技术难点。
二、流水线设计与优化流水线设计是指将计算机指令的执行过程划分为多个阶段，并使不同阶段的指令并行执行，从而提高计算机的吞吐量。
在学习流水线设计的过程中，我深入了解了流水线的原理、特点和结构。
通过学习流水线的组织方式、数据冒险、控制冒险等问题，我掌握了流水线设计的关键技术。
在实验中，我设计了一个基于流水线的简单计算机，并通过编写适当的指令集和流水线寄存器，实现了流水线的功能。
通过性能测试，我发现流水线设计可以显著提高计算机的执行效率和吞吐量。
然而，我也发现了一些流水线设计中的问题，比如分支预测错误、资源冲突等，这些问题对流水线的性能产生了负面影响。
通过调整分支预测策略和添加冲突检测机制，我成功地进行了优化，提高了流水线设计的性能。
三、实训过程中的收获与反思通过学习指令级并行与流水线设计，我不仅极大地提高了对计算机体系结构的理解和掌握，还培养了解决实际问题的能力。
npu框架和工作原理
npu框架和工作原理NPU，即神经网络处理器，是专门为神经网络计算而设计的一种处理器。
其工作原理和框架主要涉及以下几个方面：一、NPU框架NPU的框架主要包括计算单元、数据存储、指令集架构以及流水线结构等关键部分。
1.计算单元：这是NPU的核心部件，通常采用矩阵计算、向量计算等方式，可以快速执行如矩阵乘法、卷积等神经网络计算中的基本操作。
2.数据存储：由于神经网络模型通常非常庞大，NPU需要具备足够的存储容量来存储模型参数和中间计算结果。
一般采用高速缓存和显存的结合方式，以便更快地存取和读取数据。
3.指令集架构：NPU基本架构采用了特定的指令集架构，以支持AI计算任务的高效执行。
常见的指令包括矩阵乘法指令、向量加法指令和激活函数指令等。
4.流水线结构：为了提高计算效率，NPU基本架构还采用了流水线结构。
流水线将指令的执行过程划分为多个阶段，每个阶段都可以并行执行不同的指令，这样可以提高指令的吞吐量和并行度，加快计算速度。
二、NPU工作原理NPU的工作原理主要是接收输入数据，通过神经网络进行计算，并输出结果。
在这个过程中，NPU的计算单元会执行大量的矩阵运算和向量运算，以实现神经网络的前向传播和反向传播。
此外，NPU还通过优化数据存储和访问方式，以及采用特定的指令集架构和流水线结构，来提高神经网络计算的效率。
例如，NPU可以通过数据压缩技术来减少内存带宽的占用，从而提高计算速度；同时，NPU还可以通过软件定义的方式来修改运行状态下硬件逻辑单元的运算与互联，以实现更高的灵活性和可扩展性。
总的来说，NPU通过其独特的框架和工作原理，能够高效地处理神经网络计算任务，为人工智能应用提供强大的计算支持。
MIPS体系结构中SIMD指令集的设计与实现研究
MIPS体系结构中SIMD指令集的设计与实现研究MIPS是一种常见的RISC处理器架构，以其低功耗、高性能和可伸缩性而在各个领域被广泛应用。
SIMD（Single Instruction Multiple Data）是一种并行计算的方式，能够高效地实现相同的操作在一组数据上同时进行。
本文将介绍MIPS体系结构中SIMD指令集的设计与实现研究。
一、MIPS架构的特点MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）处理器架构以其精简和高效而被广泛应用于各个领域。
MIPS的主要特点包括：1、RISC架构：MIPS的指令集非常精简，指令长度固定，执行速度快，具有低功耗、高性能、易于设计等优点。
2、流水线技术：MIPS采用了5级流水线技术，即取指、译码、执行、访存和写回。
这种流水线技术可以充分利用并行计算的特性，加速指令的执行，提高系统的吞吐量。
3、延迟槽：MIPS的延迟槽是指在指令执行之前，下一条指令已经被取出并放置在延迟槽中等待执行。
这种设计可以提高流水线的效率，避免流水线停顿等待下一条指令。
二、SIMD指令集的设计与实现SIMD指令集是一种高效的并行计算技术，它能够在一条指令的作用下对多个数据进行相同的操作。
这种技术在图像、音频、视频处理等应用领域中被广泛应用。
MIPS体系结构中的SIMD指令集被称为MD（MIPS Digital Media）指令集，其设计和实现主要从以下几个方面展开：1、SIMD指令集的定义：MD指令集定义了一组可以在同一时钟周期内对多个数据进行操作的指令。
MD指令可以执行多个数据的算术、逻辑、比较和位移等操作。
2、MD指令集对MIPS指令集的扩展：MD指令集对MIPS指令集进行了扩展，新增了30多条指令，用来支持MD指令集的实现。
3、MD指令集的硬件实现：为了支持MD指令集，MIPS架构的处理器需要增加SIMD功能单元。
指令系统的设计原理
指令系统的设计原理
指令系统的设计原理主要包括以下几点：
1. 指令集设计：指令集是计算机通过操作码进行操作的一组指令集合。
在设计指令集时，要考虑到计算机的性能、资源使用效率、指令的多样性和易用性等因素。
常见的指令集包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
2. 指令格式设计：指令格式指的是指令的布局和组织方式。
通常包括操作码、寄存器地址、内存地址和立即数等字段。
指令格式的设计要尽可能简洁明了，在满足操作需求的同时，尽量减少指令的长度，以提高指令的执行效率。
3. 寻址方式设计：寻址方式指的是指令中操作数的读写方式。
常见的寻址方式有立即寻址、直接寻址、间接寻址和相对寻址等。
寻址方式的选择要根据计算机的结构、内存管理和数据传输等因素进行合理的设计。
4. 流水线设计：流水线是指将指令执行过程划分为多个阶段，并在不同阶段同时执行不同指令的技术。
流水线设计可以提高计算机的运行效率。
在设计流水线时，需要考虑指令之间的依赖关系、资源冲突和指令流程等因素。
5. 排队调度算法设计：排队调度算法用于确定指令的执行顺序和资源分配，以提高计算机的并发性和效率。
常见的调度算法有先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）和时间片轮转等。
调度算法的设计要根据应用场景、任务性质和系
统资源等因素进行综合考虑。
通过合理的指令系统设计，可以提高计算机的执行效率、并发性和资源利用率，提高计算机的性能和可靠性。
922116-计算机组成与实现-CH6--流水线CPU
流水线执行指令的详细过程
示例：lw―第3个时钟周期
ID/EX驱动ALU计算，结果写入EX/MEM
寄存器被写入 组合逻辑正在工作
25:00
PC
IM
AD
NPC
PC
IMM PC4
RA NPC
PC4F
25:21 20:16
A1 RF
A2 RD1
20:16 15:11
0 1
A3
1F
2
RD2
M1
WD
PC4D
由于寄存器值的保存与传递是分析要点，以及简化分析过程，不单独记录组合 逻辑计算结果
垂直方向：每行代表各寄存器在某个时钟上升沿后各自存入的值
CL1
CL2
CLK R1
R2
R3
1 XXX100
2 100200 101
3 100200 201
102
4
301
202
5
302
4
计算机组成与实现
回顾：MIPS数据通路的5个阶段
回写
MEM
WB
计算机组成与实现
流水线执行特点
理论上，流水线每时钟周期都可以从IM中读取一条新指令，同时 将已在流水线里的指令同时向前推进一个阶段
多条指令同时工作，但占用不同的资源（即处于不同阶段）
时钟周期
1
2
3
4
5
6
7
8
9
指令N 取指令 读操作数 执行
访存
回写
指 令 指令N+1 序 列 指令N+2
M1
WD
PC4D
15:00
EXT
IF/ID
IF 取指令
ID 译码/读操作数
cpu架构的名词解释
cpu架构的名词解释随着计算机技术的发展，中央处理器（CPU）作为计算机的核心组件之一，扮演着至关重要的角色。
CPU架构是指CPU设计和实现的基本原理和结构。
本文将对CPU架构的相关名词进行解释，以便帮助读者更好地理解和掌握计算机硬件知识。
1. 位宽（Bit Width）位宽指的是CPU处理数据时一次能够处理的二进制位数。
它决定了CPU在一次操作中能够处理的数据量大小。
例如，一个32位的CPU可以在一次操作中处理32位（4字节）的数据。
位宽越大，CPU可以处理的数据范围越广，但也意味着需要更大的内存和更高的功耗。
2. 指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）指令集架构是一套给定计算机体系结构下的机器语言指令集合。
ISA定义了CPU与软件交互的规则和接口。
它决定了CPU如何执行指令，包括指令的格式、寻址方式以及对寄存器和内存的操作等。
常见的ISA包括x86、ARM、MIPS等。
不同的ISA针对不同的应用场景和需求进行了优化，因此选择适合的ISA对于特定用途的计算机系统至关重要。
3. 流水线（Pipeline）流水线是一种将CPU的指令执行过程划分为多个阶段，以提高指令处理效率的技术。
在流水线中，不同的指令可以同时在不同的阶段执行，从而实现指令级并行。
典型的流水线阶段包括指令取址、指令译码、执行、写回等。
通过流水线技术，CPU可以在同一时钟周期内执行多个指令，从而提高整体性能。
4. 超标量（Superscalar）超标量是指可以在同一时钟周期内同时执行多条指令的CPU架构。
它通过多个独立的功能单元和资源，可以同时执行多条独立的指令，从而进一步提高指令级并行性。
超标量处理器通常具有多个指令发射单元和执行单元，可以通过重命名（Renaming）和乱序执行（Out-of-Order Execution）等技术，实现指令的并行执行。
5. CISC与RISCCISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）分别是复杂指令集计算机和精简指令集计算机的缩写。
mips 实验报告
mips 实验报告MIPS 实验报告摘要：本实验报告介绍了MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）处理器的基本结构和工作原理，以及在实验中对MIPS处理器进行了仿真和验证的过程和结果。
通过本次实验，我们深入了解了MIPS处理器的指令集架构、流水线设计和性能特点，同时也对计算机体系结构有了更深入的认识。
1. 背景MIPS处理器是一种经典的RISC（Reduced Instruction Set Computer）架构的处理器，其设计简洁高效，广泛应用于嵌入式系统和高性能计算领域。
MIPS处理器采用了五级流水线结构，包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段，能够实现指令级并行和流水线加速，提高了处理器的运行效率和性能。
2. 实验目的本次实验旨在通过对MIPS处理器的仿真和验证，加深对计算机体系结构和处理器设计的理解，掌握MIPS指令集架构的特点和流水线设计的原理，培养学生的计算机系统分析和设计能力。
3. 实验内容本次实验主要包括以下内容：（1）MIPS处理器的指令集架构和寄存器组设计；（2）MIPS处理器的流水线结构和控制信号设计；（3）使用Verilog HDL对MIPS处理器进行建模和仿真；（4）通过仿真验证MIPS处理器的正确性和性能。
4. 实验步骤（1）熟悉MIPS指令集架构和寄存器组设计；（2）设计MIPS处理器的流水线结构和控制信号；（3）使用Verilog HDL对MIPS处理器进行建模和仿真；（4）编写测试程序，对MIPS处理器进行功能验证和性能评估；（5）分析仿真结果，验证MIPS处理器的正确性和性能。
5. 实验结果通过对MIPS处理器的仿真和验证，我们得到了以下实验结果：（1）MIPS处理器能够正确执行各类指令，并能够实现指令级并行和流水线加速；（2）MIPS处理器的性能优秀，能够在较短的时钟周期内完成指令的执行；（3）MIPS处理器的流水线结构设计合理，能够有效提高处理器的运行效率和性能。
经典：计算机系统结构-流水线技术---3.2-DLX的基本流水线
项目调研与实践
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项目调研与实践
3.2 DLX的基本流水线
（3）执行/有效地址计算周期（EX） 在这个周期，不同的指令有不同的操作。
项目调研与实践
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◆ 存储器访问 ALUOutput ← A＋Imm
操作
项目调研与实践
◆ 寄存器―寄存器 ALU 操作 ALUOutput ← A op B
例3.1 在静态流水线上计算 ∑i=4A1 iBi ，
求：吞吐率，加速比，效率。
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3.2 DLX的基本流水线
54／66
3.2 DLX的基本流水线
解：(1) 确定适合于流水处理的计算过程 (2) 画时空图
(3) 计算性能
吞吐率 TP＝7／(20△t) 加速比 S＝(34△t)／(20△t)＝1.7 效率 E＝(4×4＋3×6)／(8×20)＝0.21
◆ 消除瓶颈的方法 (举例)
细分瓶颈段 重复设置瓶颈段 (时-空图)
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重复设置瓶颈段(时-空图举例)
3.2 DLX的基本流水线
(2) 实际吞吐率TP
流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率。
◆ 第一种情况：各段时间相等（设为△t0） 假设流水线由 m 段组成，完成 n 个任务。
时空图
完成 n 个任务所需的时间 T流水＝m△t0＋(n－1)△t0
ID
ID/EX.NPC ← IF/ID.NPC; ID/EX.IR ← IF/ID.IR; ID/EX.Imm ← (IR16)16##IR16..31;
(动画演示)
ALU 指令
Load/Store 指令
分支指令
EX/MEM.IR ← ID/EX.IR;
EX
多级流水线处理器的设计和实现
多级流水线处理器的设计和实现随着智能化时代的到来，人们对计算机处理速度和效率的需求越来越高。
多级流水线处理器因其高效、快速、可靠的特点被广泛应用于各种计算机和设备的设计中。
本文旨在讨论多级流水线处理器的设计和实现，介绍其基本原理以及实现方法。
一、多级流水线处理器的基本原理多级流水线处理器是一种将数据通路分为多个阶段、并行处理指令的计算机处理器结构。
其基本原理是将指令的操作分为多个阶段，每个阶段处理一种操作，并将每个阶段的结果传递给下一个阶段。
在这种处理方式下，每个阶段只需要集中处理自己的部分数据，而不是整个数据，这样可以极大地提高处理速度和效率。
基本的多级流水线处理器由以下几个阶段组成：1. 取指令（Fetch）：从存储器中读取指定地址的指令。
2. 指令译码（Decode）：对取得的指令进行译码处理。
3. 执行操作（Execute）：根据译码结果进行操作执行。
4. 存储结果（Store）：将执行结果存储到存储器中。
多级流水线处理器每个阶段的执行都是独立的，因此可以使用不同的硬件和指令集架构。
当一个指令的执行被分解为多个阶段后，每个阶段既可以使用不同的处理器，也可以由同一个处理器完成。
这种处理方式使得多级流水线处理器可以在处理器中间隔着CLOC的时钟周期内执行多个指令，从而极大地提高了计算机的操作速度和效率。
二、多级流水线处理器的实现方法多级流水线处理器最基本的实现方法是采用硬件插件，将每个阶段所需的硬件组合在一起。
这种实现方式可以根据具体的处理需求和指令集架构灵活的组合硬件，减少芯片的面积和功耗。
同时，硬件插件的实现方式也能够大大提升处理器的性能，因为在处理器执行时，硬件的处理速度是的软件的执行速度的数百倍，因此通过硬件插件实现多级流水线处理器，计算机的处理能力会得到很大的提升。
除了硬件插件以外，多级流水线处理器还可以使用软件来实现。
软件实现的多级流水线处理器可以在不同的处理器和操作系统之间共享处理器资源，支持多个处理器同时处理任务，从而提高了计算机的性能和效率。
基于DLX指令集的5级流水线CPU设计与实现
基于DLX指令集的5级流水线CPU设计与实现一、渊源 (1)二、基础 (2)1、从系统角度和程序执行角度体会CPU概貌 (2)2、CPU设计的重点：指令集和流水线，指令集就是协议 (3)3、流水线—20世纪最伟大的发明 (10)4、流水线带来的烦恼—相关 (16)5、流水线结构的颠覆：记分牌与tomasulo算法（与设计无关） (21)三、设计与实现 (26)一、渊源诞生于1977年的英特尔8086以现在微电子专业本科生的水平完全可以做出来，龙芯的负责人胡伟武的毕业设计作品就是8086CPU。
我们学过的大三的时候看了《编码》后觉得比较有感觉就写了一篇文章叫作《从零开始构建一台计算机》，主要说了一下对编码思想的理解，只记得当时心情相当激动，好像二进制世界刚刚向我打开。
很重要的一部分是以自己的理解说了一下CPU与接口的相互作用关系，这是因为那时与单片机正打得火热。
当时对于CPU的理解几乎为零，所以一笔带过了CPU的构造与工作原理，骗自己说那是非常复杂的东西，一直把它奉作系统大脑，却从不知道它到底是什么。
但对CPU原理的理解对于写出高效的程序是很关键的。
上个学期，一个“神童”级的人物出现了，王超。
这个感觉还不如我们年龄大的科大博士后，教我们《现代微处理器体系结构》，不得不说收获很大，对如何设计、实现、测试、分析、评估、优化一个CPU有了比较清晰的认识。
考试完之后一直想整理整理，一直懒得动，这项任务像一块石头一样堵在心口，现在我想好好写写，作为上个学期的真正结束。
基础部分主要是之前课上课下的的笔记，实现部分主要是实验室老大单麾扬的杰作，他用了两天时间在modelsim下用verlog语言编写了整个工程，这个西工大的哥哥，真是各种令人折服。
二、基础1、从系统角度和程序执行角度体会CPU概貌我们沿用至今的冯诺依曼提出的计算机系统硬件结构：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
其中运算器和控制器从功能角度来说就是中央处理单元CPU。
基于MIPS的流水线处理器设计
摘要CPU是计算机系统的核心部件，在各类信息终端中得到了广泛的应用。
处理器的设计及制造技术也是计算机技术的核心之一。
而MIPS 是世界上很流行的一种RISC处理器。
MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。
本文围绕着指令执行过程中需经历的五个阶段，详细描述了处理器中各阶段的逻辑设计及其相关功能模块的设计。
这五个阶段包括：取指令阶段IF，指令译码阶段ID，指令执行阶段EXE，存储器读写阶段MEM，寄存器写回阶段WB。
相关模块包括：程序存储器imem，控制单元controller，寄存器堆regfile，算术逻辑单元alu，数据存储器dmem。
在完成了CPU的整体逻辑设计后，通过Modelsim仿真软件在所设计的CPU上运行了测试程序，测试输出波形表明了处理器逻辑设计的正确性。
关键词：MIPS；处理器；流水线AbstractThe Central Processing Unit (CPU) is the key part of a computer, which has been widely used in various information terminals.Also, the design and manufacturing technology of the processor is one of the cores of the computer technology. And, as a RISC processor, MIPS is very popular in the world. MIPS means “microprocessor without interlocked piped stages”, the mechanism of it is to avoid the data-related problems in the pipeline as much as possible by software.Around the five stages of the instruction execution, the article describes the logic designs of the processor and it’s related functional modules in detail.The five stages include: the instruction fetch stage IF, the instruction decode stage ID, the instruction execution stage EXE, the memory read/write stage MEM, and the register write back stage WB. The related modules include: the instruction memory imem, the control unit controller, the register file regfile, the arithmetic logic unit alu, and the data memory dmem.Upon the completion of the whole logic designs, running the test programs by the Modelsim, the correctness of the logic designs is proved by the output waveform.Keywords: MIPS, CPU, Pipeline目录摘要 (I)Abstract (II)目录.............................................................................................. I II 第1章MIPS体系结构概述.. (1)1.1 流水线技术 (1)1.2 RISC技术 (2)1.3 MIPS简介 (4)1.4 MIPS指令集 (5)1.5 本章小结 (10)第2章MIPS处理器的实现 (11)2.1 MIPS CPU顶层结构 (11)2.2 IF级 (13)2.3 ID级 (14)2.4 EXE级 (16)2.5 MEM级 (17)2.6 WB级 (19)2.7 外部数据输入中断 (19)2.8 本章小结 (20)第3章流水线CPU的仿真 (21)3.1 流水线CPU的指令仿真 (21)3.2 本章小结 (37)第4章总结和展望 (38)参考文献 (39)致谢 (40)附录1 英文文献 (41)附录2 中文译文 (48)附录3 主要模块代码 (54)第1章MIPS体系结构概述1.1 流水线技术在任一条指令的执行过程中，各个功能部件都会随着指令执行的进程而呈现出时忙时闲的现象。
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0 funct 6 bits
0 0
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从指令逻辑映射到寄存器传输级（RTL）
• RTL描述了指令在硬件实现上的具体意义 • 所有行为都从指令获取开始
op | rs | rt | rd | shamt | funct = MEM[ PC ]
算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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• 2. 数据通路的时钟驱动策略 • 3. 整合数据通路以满足各项需求 • 4. 分析各条指令的实现方案以确定寄存器传输过程的控制逻辑 • 5. 整合控制逻辑
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MIPS指令格式
• 所有MIPS指令的宽度都是32 bits. 有三种格式:
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流水线的基本概念
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– Write Enable = 1: 根据address 将Data In bus上的数据写入到 选择相应的数据字上。
• 时钟输入 (CLK)
– 只影响写操作 – 对于读操作，存储器像组合逻辑一样工作:
• Address valid => Data Out
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IN S1
S2
S3
S4
OUT
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理想化的流水线
• Uniform subcomputations. 可以将总体计算任务划分为具有 均匀延迟的子任务。
• Identical computations. 同样的计算任务在流水线上反复执 行。
段空 号间
浮点加
定点乘
8
1 2 3 … … n-1 n 一 二 三 四
7
一二三四五
6
一二三四五六
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四五六七
时间
动态流水线 12
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存储单元：理想存储器
• 理想存储器
Write Enable Address
– 1个输入总线: Data In – 1个输出总线: Data Out • 访存操作
Data In
32 Clk
DataOut 32
– 根据Address 选择相应的数据字输出到Data Out
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输入
输入
求阶差
求阶差
对阶
对阶
相加
相加
规格化
规格化
相乘
单功累能加流水线
输出
输出
输入
流这
水些
没
有
实
际
操
作
的
节
拍
也
要
相乘
单功累能加流水线
输出
单功能流水线
多功能流水线（TI ASC）
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它是由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每
个处理机完成一项任务。
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标量流水处理机和向量流水处理机
所谓标量流水处理机（scalar pipelines processor)，是指 处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。
段空 号间
8 7 6
浮点加 1 2 3 … … n-1 n
ห้องสมุดไป่ตู้定点乘 一
一二 一二三
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四
时间
静态流水线 11
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31
26
21
16
11
6
– R-type
op
6 bits
31
26
rs
5 bits 21
rt
5 bits 16
rd 5 bits
shamt 5 bits
– I-type
op
rs
rt
immediate
– J-type
6 bits
31
26
op
5 bits
5 bits
16 bits
target address
Clk
• 有效 (1): 数据输出更新为输入值
Write Enable
Data In N
MUX
N
N
Data Out N
Clk
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存储单元：寄存器堆
• 寄存器堆（Register File） 32个寄存器组成:
RW RA RB
– 2个32-bit 输出总线:
– RW (number)选择相应的寄存器写入 busW (data) 上的数据， （Enable=1）
• 时钟输入 (CLK)
– 写操作由时钟所控制，必须由时钟边沿来驱动和同步
– 读操作不须等待时钟边沿，选择寄存器，立刻得到其输出值:
• RA or RB valid => busA or busB
4、流水线需要有“填充时间”（第一个任务流出结果所需的时间）， 在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出 一个结果；
5、流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供 任务，流水线的效率才能充分发挥。
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时序逻辑的表征
• 寄存器
Write Enable
– 由 D Flip Flop构成
• N-bit 输入和输出
Data In
• 具有写有效信号（Write Enable） N
Data Out N
– Write Enable:
• 无效 (0): 数据输出不变
• Independent computations. 各次计算任务直接没有依赖性。
流水线的目的是在相对较少的成本下提升系统的吞吐率。 理想流水线代表了现实流水线所能达到的吞吐率的上界。
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算术流水线
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流水线技术的定义
所谓流水技术，是指将一个重复的时序过程，分解成为若 干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与 其他子过程同时执行。
描述流水线工作的时空图
空 间
工序4 工序3
工序2
工序1
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
时间
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所谓向量流水处理机（ vector pipelines processor)，是 指处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元 素进行处理。
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线性流水线与非线性流水线
a） 线性流水线：流水过程中，从输入至输出每功能段仅 经过一次，不存在反馈。 b） 非线性流水线：存在反馈，某些流水功能段允许被通过 数次。
else PC <– PC + 4
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组合逻辑的表征
• 加法器
A 32 B 32
Adder
32 Sum Carry
• 多路选择 器
• 算术逻辑 运算单元
Select
A 32 B 32
MUX
32 Y
OP
A 32 B 32
ALU
32 Result
PC <– PC + 4
LOAD R[rt] <– MEM[ R[rs] + sign_ext(Imm16)]; PC <– PC + 4
STORE MEM[ R[rs] + sign_ext(Imm16) ] <– R[rt]; PC <– PC + 4