计算机组成原理_第6讲：MIPS处理器设计_16学时_-part1.pdf

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1、第六讲MIPS处理器设计第六讲MIPS处理器设计一．处理器设计概述一．处理器设计概述1.处理器的功能与组成二．MIPS模型机2.处理器设计的一般方法三．MIPS单周期处理器设计二．MIPS模型机四．MIPS流水线处理器设计三．MIPS单周期处理器设计四．MIPS流水线处理器设计121.1CPU的功能与组成CPU的功能：控制指令执行ApplicationsSoftware指令执行过程layersofabstractionOS取指：从指令存储器中读出指令并分析指令Compiler取数：从数据存储器读出操作数InstructionSetArchitecture（ISA

2、）执行：完成指令所规定的动作（运算）InstructionWearehere指令执行周期（一般性概念）：CPU从指令存储器中读出HardwareProcessinglayersfor指令并执行指令功能的全部时间称为指令周期。包括：designDatapath&Control取指周期：完成取指令操作和分析指令操作所需时间；abstraction取数周期：从数据存储器读出操作数所需时间（包括计算操作DigitalDesign数有效地址）；CircuitDesign执行周期：完成指令所规定的动作（运算）所需时间，因指令不同而不同。341.1CPU的功能与组成1.1C

3、PU的功能与组成CPU所需的功能部件CPU内部结构CPU取指令：从存储器中读出指令和分析指令（译码）微操作控制信号（内部单总线结构）ALUGR中微操作信号指令地址部件：指明当前要读取的指令在存储器中的地址数据通路(datapath)发生器断MAR系AB指令寄存部件：保存从存储器中取来的指令ID统运算单元MDREUPCIR译码部件：对指令进行译码寄存器单元CUDatapath执行指令：实现指令所规定的功能（包括取数和执行）控制器（CU）InternalBUS执行部件：ALU、寄存器等指令译码器IDDataBus控制信号逻辑部件：根据指令的操作性

4、质和操作对象的地址控制信号生成器CtrlBus（译码结果），在时序信号配合下，产生一系列的微操作控AddBus内部总线制信号，从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件工作，实现指令所表示的功能。561.1CPU的功能与组成1.1CPU的功能与组成CPU的组成—小结数据通路执行单元（数据通路，datapath）指令执行过程中，指令数据流所经过的部件和路径总称，用以实运算单元：算术逻辑运算单元（ALU）现数据的传送、处理和存储等功能，是指令的执行部件。寄存器：通用寄存器组（GPRs），标志寄存器（FR，又称程构成序状态字PSW），临时寄存器（TR

5、）组合逻辑元件（操作元件）：ALU、译码器、多路选择器等控制单元（控制器，control）：存储元件（状态元件）：存储器、寄存器等部件间连接方式指令地址部件：程序计数器（PC－ProgramCounter）总线连接方式（CPU内部总线）指令寄存部件：指令寄存器（IR－InstructionRegister）分散连接方式译码部件：指令译码器（ID－InstructionDecoder）控制器控制信号生成部件：产生计算机其他部件所需要的所有微操作对指令进行译码并生成指令执行所需的控制信号，以实现对数据控制信号，有组合逻辑和微程序等实现方式。通路中各部

6、件的功能控制，以及相应路径的开关控制等，是指令的时序部件：产生时序信号控制部件。781.1CPU的功能与组成1.1CPU的功能与组成简单的数据通路示例单总线数据通路示例取指令路径取操作数的路径运算结果保存路径取指令路径PCIBMAR地址IBMARALU结果IBMDRPCMARMemRMemR结果地址IBMARMMERIBIRMMERIBALUMemWReadMem.ControlBusMMBRIBRIRDataBus取操作数的路径AddressBusMDRout微操作信号MARout操作数地址

7、MARMERinMERMDRMDRinCoutMemRMemWMARinC控制MARCinReadMem.MERoutMEMORY部件InternalBusMMBRALU单总线R0outPCout运算结果保存路径数据通路R0R0inDDin时序译码电路PCPCin部件ABR1outS0ALU结果MBRR1inS1ALUPC+2R1S2结果地址MARR2outAinAIRIRinR2R2inWriteMem.FRAoutFRoutR3out早期累加器型数据通路R3R3in9101.1CPU的功能与组成1.1CPU的功能