纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-3-5-2CPU子系统-MIPS-基本部件分析.ppt

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1、3.5.2MIPS-32处理器（基本部件）1/17※CPU设计的主要任务①拟定指令集√②数据通路设计③控制器设计2/17※拟定指令集※CPU设计的主要任务→处理器的指令架构（MIPS-32）→CPU的微架构（数据通路、硬件架构）如Intel酷睿系列，X86-64，AMD的AMD-64如Intel酷睿5(haswell)、酷睿6(broadwell)AMD的K7、K8架构等※数据通路设计※控制器设计3/183/17※CPU执行1条指令的步骤：①取指令②取操作数根据PC，从存储器中取出指令，同时PC自动加4。根据指令中操作数字段，选

2、择读取寄存器或立即数，送ALU(运算器)。③分析指令④执行指令将指令中的操作码送控制器，分析指令的功能，产生相应的控制信号。ALU根据控制器产生的控制信号完成指令规定的操作，并保存结果、修改PC。4/17①单周期CPU:指令固定在1个时钟周期内完成。√时间效率低，时钟宽度由单指令最长时间决定。√在指令周期内，功能部件不能共享，冗余度大；②多周期CPU:指令分散在多个时钟周期内完成。√时间效率高，时钟的宽度由单步最长时间决定。√不同的时钟周期之间，部件可共享，冗余降低。※根据指令执行的所需时钟周期数5/17MIPS32的指令格式指

3、令字长固定为32位，寄存器型寻址，指令中给出寄存器号(显、隐)或者偏移量。指令类型指令长度（32位定长）31~2625~215~020~1625~1110~6R型op(6)rs(5)functrt(5)rd(5)saI型op(6)rs(5)rt(5)imm(16)J型op(6)address(26)6/17基本部件的选型※存储相关的部件※数据预处理部件※运算部件※数据通路选择部件※控制单元（控制器）7/17(1)寄存器堆（组）读数据(根据指令中的rs或rt)写数据(根据指令中的rt或rd)1、存储相关的部件32个寄存器，数据宽度

4、32位一般通过多端口小存储器构成寄存器堆8/17555多端口寄存器堆由Ra给出地址由Rb给出地址Data端输入的数据在Wn=1且时钟边沿信号到来时写入到地址Rw指定的寄存器。读写操作均靠时钟信号的边沿触发。323232RaARbRwDataB32×32寄存器堆WnClockop(6)rs(5)functrt(5)rd(5)saR型指令9/17取出指令（指令存储器）读写操作数（数据存储器）(2)存储器指令存储器Clock32Inst_addrInst_code32数据存储器clockaddr32Mem_out32Mem_write

5、32Mem_inMem_readPCwriteread模式10写01读00锁定11无效10/17RegisterDataIn32DataOut32EnableclockEnable=0时钟边沿到来时，从R读Enable=1时钟边沿到来时，向R写(3)特殊功能寄存器PC（程序计数器），IR（指令寄存器）FR（标志寄存器，PWS,与运算器相关）Enable:写使能信号11/17指令存储器Inst_codeInst_addrclock3232IROPrsrt…→PC和IR在数据通路中的作用指令地址码PC12/172、运算部件算术逻辑运

6、算单元，ALUPC自增单元（固定加4的运算器）①32位加法器—AdderADDA32B3232SUM加法器的输入端口A,可以固定输入常数413/17②32位运算器—ALUALUA32B3232SUM功能选择n位的控制码operationn与ALU的运算功能数m有关，n≥log2mZero…Z控制单元14/17operationALU功能ALU输出0000ANDAANDB0001ORAORB0010ADDAADDB0110SUBASUBB0111小于则置1A

7、定输入常数415/173、数据预处理部件带符号扩展、无符号扩展(0扩展)左移两位4位-28位拼接①双模扩展器—Extender1632E16→32扩展器0000000A000AFFFF800A800A0000002A002A0000F12CF12C①E=1时，数值型(补码)符号扩展②E=0时，逻辑型扩展(零扩展)：E正数高位全补0，负数高位均补1无正负性，高位均全补016/17UPC[31:28]32addressXX…XX0032263228左移2位扩展器<<2[例]XXXX…XXXX②左移2位扩展器③2路拼接器284例如：P

8、C=A0000000address=FFFFBB4→PC[31:28]Uaddress=AFFFFBB4(等效于乘4)左移时空位自动补017/174、数据通路选择部件32位的多路选择器—MUXMUXI132In3232Dm位选通信号10A32B3232C10…其