前言

本章繼續(xù)講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，之前已經(jīng)大概說明了 ALU 和存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文講述CPU的設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)的有單周期、多周期 CPU 設(shè)計(jì)，以及流水線設(shè)計(jì)，中斷處理會(huì)在后文中詳細(xì)說明，本文不進(jìn)行講述。

單周期 CPU 設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通路

即定長指令周期，機(jī)器性能取決于最慢的指令，導(dǎo)致時(shí)鐘周期過長。
指令類型分為三類，R型指令、I型指令、J型指令。

數(shù)據(jù)通路如下

最左側(cè)多路選擇器，當(dāng)執(zhí)行有條件跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，選擇跳轉(zhuǎn)地址，跳轉(zhuǎn)地址由15位的立即數(shù)運(yùn)算得到；下一層為無條件跳轉(zhuǎn)指令選擇，當(dāng)執(zhí)行JAL（函數(shù)調(diào)用指令）或J（無條件跳轉(zhuǎn)指令）選擇由26位立即數(shù)運(yùn)算得到的地址；第三層選擇為JR指令（跳轉(zhuǎn)到寄存器記錄地址，一般用于在JAL調(diào)用退出時(shí)使用），一般選擇$31號(hào)寄存器保存JAL執(zhí)行時(shí)PC的值，函數(shù)調(diào)用后，再讀取 $31 的值進(jìn)行返回。

本設(shè)計(jì)支持24條指令，這里不一一介紹，有疑問可以評(píng)論共同探討學(xué)習(xí)。

控制器設(shè)計(jì)

控制器是通過分解指令，由OP和FUNC字段確定某種運(yùn)算，給出控制信號(hào)，協(xié)同數(shù)據(jù)通路的工作，確保數(shù)據(jù)的正確流通。

控制器設(shè)計(jì)方法可以使用硬布線設(shè)計(jì)，也可以采用微程序設(shè)計(jì)。

第一步需要分析指令在執(zhí)行過程需要的控制信號(hào)，之后根據(jù)分析，設(shè)計(jì)電路，使用課程包中的EXCEL，填寫輸入信號(hào)，生成控制器電路，以設(shè)計(jì)控制器。
由上圖 指令-控制信號(hào) 得到控制信號(hào)生成表達(dá)式

將邏輯表達(dá)式輸入，自動(dòng)生成電路。

最后導(dǎo)入程序測試功能。

MIPS 指令流水線設(shè)計(jì)

理想流水線

理想流水線滿足以下特點(diǎn)：階段數(shù)相同，所有指令經(jīng)過同樣的流程、階段；各段時(shí)延相同，各段傳輸延遲一致，不存在等待現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮最慢的處理過程；無資源沖突，各段之間不存在資源共享，各段完全并發(fā)；無段間互鎖，進(jìn)入流水線的數(shù)據(jù)與部件不受其他執(zhí)行階段的影響。

這里不在介紹各段的執(zhí)行流程，細(xì)節(jié)參考MOOC課程。

流水接口部件設(shè)計(jì)

流水接口部件實(shí)際為寄存器的組合設(shè)計(jì)，用于暫存數(shù)據(jù)，本段輸出處理好的數(shù)據(jù)暫存于寄存器，寄存器為后段提供數(shù)據(jù)。

考慮設(shè)計(jì)不同位數(shù)的接口部件，方便后期直接使用，同時(shí)注意使用同步清零，防止異步清零時(shí)丟失數(shù)據(jù)。

氣泡流水線

在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，由于前段已經(jīng)加載其他指令，屬于誤取指令，故需要進(jìn)行處理。這里介紹采用插入氣泡的方法解決問題。這會(huì)導(dǎo)致流水行性能損失。

當(dāng)判斷流水線執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，取指階段于譯碼階段設(shè)計(jì)同步清零信號(hào)，清空流水線保證指令正確執(zhí)行。

當(dāng)流水段出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)問題時(shí)，也可以采用插入氣泡的方法解決問題。

數(shù)據(jù)重定向

使用氣泡解決沖突問題時(shí)，流水線會(huì)有性能損失，故而可以采用數(shù)據(jù)重定向方法解決該類問題。

主體思路是通過寄存器使用檢查，確定段間的爭用關(guān)系，通過設(shè)計(jì)電路，完成數(shù)據(jù)重定向。

寄存器使用檢查

通過之前設(shè)計(jì)完成的控制信號(hào)生成文件，只關(guān)注RegDst信號(hào)與RegWrite信號(hào)，即輸入為6位OP字段，6位FUNC字段，輸出兩個(gè)寄存器信號(hào)。

寄存器沖突檢測

通過設(shè)計(jì)好的寄存器檢查電路組件，設(shè)計(jì)比較電路。

數(shù)據(jù)重定向?qū)崿F(xiàn)

總結(jié)

本文僅提供設(shè)計(jì)思路，如有錯(cuò)誤還請(qǐng)指正，也希望各位讀者可以提供寶貴意見與指導(dǎo)，共同探討學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)不盡完善，還有許多需要改進(jìn)的地方，希望拙筆可以拋磚引玉，之后可以出現(xiàn)更多完善優(yōu)秀的設(shè)計(jì)提供參考。

本人也因?qū)τ布O(shè)計(jì)極為感興趣，歡迎各位提問交流，最后也衷心祝愿各位讀者萬事勝意，身體健康。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-781255.html

到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（華科）——單周期MIPS CPU（Logisim 實(shí)現(xiàn)）】的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！