Chapter 4 處理器

1、電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 計算機(jī)組成與設(shè)計計算機(jī)組成與設(shè)計硬件硬件/ /軟件接口軟件接口Computer Organization and DesignThe Hardware/Software InterfaceDavid A. Patterson John L. Hennessy張建張建 E-mail:Z電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院本課程的主要內(nèi)容：本課程的主要內(nèi)容：n 計計算機(jī)系算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的的概述概述n 技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展趨勢趨勢n 性能性能n

2、指令集指令集n 邏輯邏輯和算和算術(shù)術(shù)運(yùn)算運(yùn)算 處處理器的理器的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)n 存存儲儲器器n 輸輸入入/輸輸出出電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院處理器的實(shí)現(xiàn)處理器的實(shí)現(xiàn)n 計計算機(jī)系算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的的概述概述n 技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展趨勢趨勢n 性能性能n 指令集指令集n 邏輯邏輯和算和算術(shù)術(shù)運(yùn)算運(yùn)算 處處理器的理器的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)n 存存儲儲器器n 輸輸入入/輸輸出出電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 本章的目標(biāo)：本

3、章的目標(biāo)： Oh, easy!Single cycle CPU design 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院復(fù)習(xí)：計算機(jī)復(fù)習(xí)：計算機(jī)5 5大組成部件大組成部件ProcessorControlDatapathOutputInputMemory100101001011000000101001010100011111011101100110100101001011000010010100101100001001010010110000電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4

4、.1.1 一個基本MIPS的實(shí)現(xiàn)n 要實(shí)現(xiàn)的MIPS的指令集 存儲器訪問指令取字：存字： 算術(shù)邏輯指令： 分支指令：電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.1.2 實(shí)現(xiàn)方式概述實(shí)現(xiàn)方式概述n 一條指令的執(zhí)行步驟：一條指令的執(zhí)行步驟： 取指令取指令根據(jù)PC寄存器的值取出要執(zhí)行的指令，然后PC 內(nèi)容加4。 取操作數(shù)取操作數(shù)根據(jù)指令中操作數(shù)字段，選擇讀取1或2寄存器、或立即數(shù)送ALU(運(yùn)算器)。電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.1.2 實(shí)現(xiàn)方式概述實(shí)現(xiàn)方式概述 分析指令分析指令將指令中的操作碼送控制器，分析指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信

5、號。 執(zhí)行指令執(zhí)行指令A(yù)LU根據(jù)控制器產(chǎn)生的控制信號完成指令規(guī)定的操作。電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.1.2 實(shí)現(xiàn)方式概述實(shí)現(xiàn)方式概述n 分析分析MIPS指令非常規(guī)整，分指令非常規(guī)整，分3類：類：1. 存儲訪問存儲訪問sw、lw2. 算術(shù)邏輯算術(shù)邏輯add、sub等：操作均為寄存器addi、subi等：有一個操作數(shù)為立即數(shù)3. 分支分支beq、j等電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.1.2 實(shí)現(xiàn)方式概述實(shí)現(xiàn)方式概述寄存器寄存器堆堆ALU數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器存儲器指令指令存儲器存儲器MUXMUX加法器加法器加法器加法器MUXPC

6、4n 一個MIPS子集的基本實(shí)現(xiàn)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.1.2 實(shí)現(xiàn)方式概述實(shí)現(xiàn)方式概述n 硬件的設(shè)計硬件的設(shè)計 從存儲器中取出指令 執(zhí)行指令規(guī)定的操作n 設(shè)計時需要考慮的因素設(shè)計時需要考慮的因素 代價 速度 功耗電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 設(shè)計步驟：設(shè)計步驟：1. 分析指令集；2. 數(shù)據(jù)路徑的需求；3. 選擇數(shù)據(jù)部件；4. 時鐘建立方法；5. 按要求形成數(shù)據(jù)路徑；6. 為每條指令確定控制信號；7. 形成產(chǎn)生控制信號的控制邏輯；電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MIPSMIPS指

7、令格式指令格式oprsrtrdshamtfunc6位5位5位5位5位6位31 2625 2120 1615 1110 650oprsrtimmediate6位5位5位16位31 2625 2120 1615 0opaddress6位26位31 26250R R型型I I型型J J型型電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MIPSMIPS指令指令集集需求需求n 存儲器存儲器 取出指令 讀寫操作數(shù)n 寄存器寄存器(32位位) 讀數(shù)據(jù)(根據(jù)指令中的rs或rd) 寫數(shù)據(jù)(根據(jù)指令中的rd或rt)n PC電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MIP

8、SMIPS指令指令集集需求需求n 符號擴(kuò)展部件符號擴(kuò)展部件n ALUn 加加4運(yùn)算器運(yùn)算器電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑部件數(shù)據(jù)路徑部件n 組合邏輯部件組合邏輯部件 加法器 ALU 多路選擇器 符號擴(kuò)展器n 存儲部件存儲部件 寄存器 寄存器堆 存儲器電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.2 邏輯設(shè)計慣例邏輯設(shè)計慣例n 時鐘方法（Clocking Methodology） 什么時候可以從存儲單元中讀數(shù)據(jù) 什么時候可以將數(shù)據(jù)寫入存儲單元n 典型時鐘方法 電平觸發(fā)（高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)）高電平觸發(fā)高電平觸發(fā)低電平觸發(fā)低電平

9、觸發(fā)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.2 邏輯設(shè)計慣例邏輯設(shè)計慣例 邊沿觸發(fā)（上升沿、下降沿）電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 組合控制4.2 邏輯設(shè)計慣例n 操作時序Clock（寄存器）輸出MUX（寄存器）輸入第1個時鐘上升沿輸出變化 組合邏輯處理第2個時鐘上升沿存儲 電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 4.2 邏輯設(shè)計慣例ClockMUXn 時序的安排對硬件邏輯設(shè)計非常重要 傳播延時 建立延時ADD電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的組合部件n 323

10、2位加法器位加法器AdderCarry InADDA32B3232SUMCarry Out該信號該信號32位位電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的組合部件n 3232位運(yùn)算器位運(yùn)算器ALUOperationALUA32B3232SUMZeronn與ALU能執(zhí)行運(yùn)算類型有關(guān)，若ALU能完成m種運(yùn)算，則：電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的組合部件n 3232位位2 2選選1 1選擇器選擇器MUXMUXA32B3232CSelect32位4選1選擇器？思考題：電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與

11、工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的組合部件n 16-3216-32符號擴(kuò)展器符號擴(kuò)展器EXTNDEXTND1632Sign extender16-32符號擴(kuò)展方法： 設(shè)符號位為S，S0，1 在原數(shù)前加16個S，構(gòu)成32位數(shù)例如：011001010000110011100101000011000110010100001100111001010000110011111111111111110000000000000000電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的存儲部件32位寄存器RegisterEnableData InData Out3232Clockn Enable:

12、 :使能信號使能信號 0:0:時鐘邊沿到來時輸出不變時鐘邊沿到來時輸出不變 1:1:時鐘邊沿到來時輸出變?yōu)闀r鐘邊沿到來時輸出變?yōu)檩斎胼斎胱⒁猓鹤⒁猓喝裘總€時鐘邊沿都寫則不需若每個時鐘邊沿都寫則不需要要EnableEnable信號。信號。電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的存儲部件寄存器堆(Register file)RaA3232ClockRbRwDataB3232 32-bitRegisters555n 2個輸出(組合邏輯) A輸出由Ra給出地址 B輸出由Rb給出地址n 1個寫端口(時序邏輯)寫使能Wn=1時，當(dāng)時鐘邊沿到來時，將Data端口送來的數(shù)

13、據(jù)寫入Rw指定的寄存器。Wn電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)通路中的存儲部件理想寄存器堆(Memory)Memory32ClockData In32AddressWrite enableData Outn 讀操作(組合邏輯)n 寫操作(時序邏輯)Write enable=1時，當(dāng)Clock邊沿到來時，將Data In端口送來的數(shù)據(jù)寫入Address指定的寄存器。Read enableRead enable=1時，當(dāng)Clock邊沿到來時，將Address指定寄存器的內(nèi)容從Data Out端口輸出。電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)

14、院 4.3 建立數(shù)據(jù)通路n 一條指令執(zhí)行的過程 從存儲器中取指令 分析指令 執(zhí)行指令 寫結(jié)果，形成下一條指令的地址電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 取指令（Instruction Fetch）R型指令型指令I(lǐng)nstruction - MEMPCInstructionmemoryPCADDRDATAInstructionADD4PC - PC + 4Clock電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑R型指令OprsrtrdshamtfuncRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZero譯碼譯碼Op

15、erationWn電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑Load指令Oprsrtoffset/immediateRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZeroMemoryADDRWDRDWeRe譯碼譯碼電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑Store指令Oprsrtoffset/immediateRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZeroMemoryADDRWDRDWeRe譯碼譯碼電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路

16、徑數(shù)據(jù)路徑分支指令分支指令n 分支指令：beq、bne功能：功能：ADDPC+4PC42ADDoffset電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑數(shù)據(jù)路徑分支指令分支指令Oprsrtoffset/immediateRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZero2ADDPC+4ADDPC+4PC4電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)路徑合并目標(biāo)：把各種功能的數(shù)據(jù)路徑合并 取指令 R型指令 Load/Store指令 分支指令n 基本方法：使用多路選擇器。MUXA32B3232CSelect電子科技

17、大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并n 選擇ALU的輸入 寄存器堆的B輸出(R型指令) 符號擴(kuò)展輸出(Load/Store型指令)ALURegistersA輸出輸出B輸出輸出電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并n 選擇寄存器堆的Data的輸入 ALU的輸出(R型指令) 存儲器的輸出(Load/Store型指令)ALURegistersDataMemory電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并n 選擇寄存

18、器堆Rw的輸入 指令的rd字段(R型指令) 指令的rt字段(Load指令)RegistersRwoprsrtrdshamtfuncoprsrtimmediate電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（1）Oprsrtrdshamtfunc譯碼譯碼OperationR R型型Oprsrtoffset/immediate譯碼譯碼OperationLoad/StoreLoad/Store指令指令0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 01 0 0 0 1 11 0 0 0 1 11 0 1 0 1 11 0 1 0

19、 1 1電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（1）- 合并處理合并處理Oprsrtrdshamtfunc譯碼譯碼OperationIf Op=000000 then Operation = 分析分析funcElse if Op = 100011 then Operation = LoadElse Operation = StoreEnd if Oprsrtoffset/immediate電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（

20、2）OprsrtrdshamtfuncR R型型Oprsrtoffset/immediateLoadLoad/ /StoreStore指令指令RaRbRw32 32-bit RegistersRaRbRw32 32-bit Registers電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（2）- 合并處理合并處理 Oprsrtoffset/immediateOprsrtrdshamtfuncR型指令Load/Store指令RaRbRw32 32-bit RegistersMUXregrt電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院

21、電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（3）R R型型Load/StoreLoad/Store指令指令32 32-bitRegistersALUOprsrtoffset/immediate32 32-bitRegistersALUMemory電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（3）- 合并處理合并處理32 32-bitRegistersALUMUXaluimmMemory電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MemoryR型指令

22、與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（4）R R型型Load/StoreLoad/Store指令指令32 32-bitRegistersALU32 32-bitRegistersALU電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與型指令與Load/Store指令差異（指令差異（4）- 合并處理合并處理ALUMemoryMUXm2reg電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并MemoryOprsrtoffset/immediateRaClockRbRwData32 32-bitRegiste

23、rsALUZeroADDRWDRDWeReOprsrtrdshamtfuncMUXMUXaluimmm2regOperationR型指令Load/Store指令MUXregrt電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MemoryOprsrtRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZeroADDRWDRDWeRerd000000funcMUXMUXaluimmm2regOperationMUXregrtR型指令與Load/Store指令合并(執(zhí)行R型指令)Aluimm = 0m2reg = 1regrt = 1offset/immedia

24、te00電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并(執(zhí)行Load(lw)型指令)MemoryOprsrtRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZeroADDRWDRDWeRerd000000funcMUXMUXaluimmm2regOperationMUXregrtAluimm = 1m2reg = 0regrt = 0offset/immediate01電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令與Load/Store指令合并(執(zhí)行Store(sw)型指令)Memor

25、yOprsrtRaClockRbRwData32 32-bitRegistersALUZeroADDRWDRDWeRerd000000funcMUXMUXaluimmm2regOperationMUXregrtAluimm = 1m2reg = 0regrt = 0offset/immediate10電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 MemoryInstructionMemory單周期執(zhí)行 - 數(shù)據(jù)路徑Ra Rb RwMUXDataALUMUXWDeADDRRDMUX2ADDMUXWDADDADDRPC4InstructionOperationSign Exte

26、nderWNZeroaluimmPCSrcm2reg55516regrtWe Re電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 執(zhí)行指令：MemoryInstructionMemoryRa Rb RwMUXDataALUMUXWDeADDRRDMUX2ADDMUXWDADDADDRPC4InstructionOperationSign ExtenderWNZeroaluimmPCSrcm2reg55516regrt電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 執(zhí)行指令：MemoryInstructionMemoryRa Rb RwMUXDataALUMU

27、XWDeADDRRDMUX2ADDMUXWDADDADDRPC4InstructionOperationSign ExtenderWNZeroaluimmPCSrcm2reg55516regrt電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 執(zhí)行指令：MemoryInstructionMemoryRa Rb RwMUXDataALUMUXWDeADDRRDMUX2ADDMUXWDADDADDRPC4InstructionOperationSign ExtenderWNZeroaluimmPCSrcm2reg55516regrt電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)

28、科學(xué)與工程學(xué)院 完整的單周期完整的單周期CPU數(shù)據(jù)路徑數(shù)據(jù)路徑Control signalsshown in blue5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU3EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction I32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryADDRPC4ADDADDMUXMUXPCSrcMUXRegDst5rdI15:11rtI20:16rsI25:21immediate/offsetI15:0010110

29、10電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計n 功能給定一個指令字產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的控制信號n 實(shí)現(xiàn)方式：組合邏輯電路輸入信號指令字段的op和func。ALU的zero狀態(tài)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計n 確定每條指令的控制信號 0 1 X(與該指令無關(guān))n 構(gòu)建控制信號的真值表電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 n 需要產(chǎn)生的控制信號 Regwrite：寄存器堆寫信號 RegDst：目的寄存器選擇信號 MemToreg：存儲器內(nèi)容輸出到寄存器堆 Mem

30、Read：存儲器讀信號 MemWrite：存儲器寫信號 ALUSrc：ALU源操作數(shù)選擇控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 n 需要產(chǎn)生的控制信號 Operation：ALU操作碼 PCSrc：PC源的選擇控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器單元結(jié)構(gòu)控制器單元結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 n 控制器：一個寵大的邏輯電路n 好的方法：分成多個較小的邏輯電路 較小規(guī)模的邏輯電路速度更快 較小規(guī)模的邏輯電路更容易協(xié)同工作n 顯然 funct字段只與

31、ALU的operation有關(guān) 好的方法：建立一個單獨(dú)的ALU控制電路控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 修改后的控制器單元結(jié)構(gòu)修改后的控制器單元結(jié)構(gòu)OperationPCSrcALUSrcMemWriteMemReadMemtoRegRegDstRegWrite3Control UnitDatapathInstruction I32OperationPCSrcALUSrcMemWriteMemReadMemtoRegRegDstRegWriteZeroZerofunctopI31:26I5:0666aluopaluop2電子科技大學(xué)計算機(jī)

32、科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器修改控制器修改后的數(shù)據(jù)路徑后的數(shù)據(jù)路徑5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU4EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction I32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryADDRPC4ADDADDMUXMUXPCSrcMUXRegDst501011010ALUControlControlUnit66op I31:op I31:26funct I5:0ALUOp2電

33、子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 ALU的功能的功能ALU control inputFunction0000AND0001OR0010add0110subtract0111set on less than1000NORn ALU的控制電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 ALU Control的使用的使用n ALU的使用依賴于： 指令類型(op字段) Funct字段(R型指令)n 顯然 funct字段只與ALU的operation有關(guān) 好的方法：建立一個單獨(dú)的ALU控制電路電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)

34、院 ALU的功能編碼的功能編碼指令指令功能功能lw加加sw加加beq減減add加加sub減減andorslt與與或或設(shè)置低位設(shè)置低位ALU Ctl.00100010011000100110000000010111functXXXXXXXXXXXXXXXXXX100000100010100100100101101010指令類型指令類型數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸分支分支r-typer-typer-typer-typer-typeALUOp0000011010101010電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 ALU控制真值表控制真值表n 忽略不關(guān)心的值以使電路最短

35、忽略F5、F4(它們永遠(yuǎn)為“10”) 假定ALUop永遠(yuǎn)不等于“11”O(jiān)peration0010011000100110000000010111ALUOp10X11111ALUOp001XXXXXF5XXF4XF3X00001F2X00110F1X01001F0X00010XXXXXXXXXXXXXXX電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 ALU控制器的實(shí)現(xiàn)控制器的實(shí)現(xiàn)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)Op5Op4Op3Op2Op1Op0RegDstALUSrcMemtoRegRegWriteMemReadMemW

36、riteBranchALUOp1ALUOp0000000100011101011000100OPRTlwswbeqInputOutput100100010011110000X1X001000X0X000101n 控制器功能真表控制器功能真表電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 控制器實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 單周期單周期CPU的性能的性能n 假設(shè)各部件延時如下：假設(shè)各部件延時如下： 存儲讀存儲讀/寫：寫：200ps ALU、加法器：、加法器：100ps 寄存器堆讀寄存器堆讀/寫：寫：50ps 控制器控制器 -忽略

37、不計：忽略不計：0ps 選擇器選擇器-忽略不計：忽略不計：0psn 各種指令的執(zhí)行所需的指令周期是多少？各種指令的執(zhí)行所需的指令周期是多少？電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 R型指令型指令5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU3EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryADDRPC4ADDADDMUXMUXPCSrc200ps100ps (

38、not on critical path)100ps50ps50psLongest Path: 200ps+ 50ps+ 100ps+ 50ps400ps電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 Lw指令指令5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU3EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryADDRPC4ADDADDMUXMUXPCSrc200ps1

39、00ps (not on critical path)100ps50ps50psLongest Path: 200ps+ 50ps+ 100ps+ 200ps+ 50ps600ps200ps電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 Sw指令指令5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU3EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryADDRPC4ADDAD

40、DMUXMUXPCSrc200ps100ps (not on critical path)100ps50psLongest Path: 200ps+ 50ps+ 100ps+ 200ps550ps200ps電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 分支指令分支指令5516RD1RD2RN1RN2WNWDRegWriteRegister FileOperationALU3EXTND1632ZeroRDWDMemReadDataMemoryADDRMemWrite5Instruction32MUXALUSrcMemtoRegADD2RDInstructionMemoryAD

41、DRPC4ADDADDMUXMUXPCSrc200ps100ps (not on critical path)100ps50psLongest Path: 200ps+ 50ps+ 100ps350ps電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 單周期單周期CPU的性能的性能n 各類指令的數(shù)據(jù)路徑長度 R型指令 200 + 50 + 100+0+50 400ps Load word 200 + 50 + 100 + 200 + 50 600ps Store word 200 + 50 + 100 + 200 550ps 分支 200 + 50 + 100 350ps 轉(zhuǎn)移

42、 200 200psn 性能受最慢指令的限制電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 其它可實(shí)現(xiàn)的方式其它可實(shí)現(xiàn)的方式n 多周期處理器 縮短指令周期 一條指令多個周期 不同類型指令所需的周期數(shù)不同 硬件代價小n 流水線處理 指令重疊執(zhí)行 盡可縮短時鐘周期數(shù)和CPI 硬件代價大，但性能更好電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 多周期處理器的實(shí)現(xiàn)多周期處理器的實(shí)現(xiàn)n 將指令的執(zhí)行分為多個周期n 1個時鐘周期完成1項(xiàng)主要任務(wù)1. 取指2. 指令譯碼和寄存器取數(shù)3. 執(zhí)行，存儲器地址計算，或分支地址計算4. 存儲器存取/R型指令完成5. 存儲器讀完成n 共享硬件以簡化數(shù)據(jù)路徑電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與