计算机体系结构 第3章 单周期MIPS处理器的设计

第3章 单周期MIPS处理器的设计
1、add, sub, addi, subi, lw, sw, beq, j 每条指令在单周期处理器中的执行逻辑
2、上述指令的指令编码、代码、功能以及在单周期中的数据通路，条件分支指令的地址计算、单周期各功能部件的控制信号值判断
3、中断和异常的处理时机

一、MIPS指令

注：时钟部件

二、数据通路

合并

（1）R型指令与load/store指令合并

合并结果

（2） add

（3）beq

四、控制部件设计

思考：

问题：为什么不使用单周期实现方式？
1、最长的延迟决定了时钟周期的长度（因为在单周期设计中，时钟周期对所有指令等长）
2、关键路径：load指令（执行时间最长的指令）
使用了5个功能单元
指令存储器 ->寄存器堆 ->ALU -> 数据存储器 -> 寄存器堆
3、使用单周期设计对于小指令集可以接受，但如果还要包括浮点或更复杂指令的指令集，单周期无法胜任。
4、单周期实现方式违背了设计原则
- 加快最常见情况的速度
- 因为时钟周期必须满足所有指令中最坏的情况，
所以不能使用那些缩短常用指令执行时间而不
改善最坏情况的实现技术
5、可通过流水线技术改进性能

• 与单周期类似的数据通路，但效率更高
• 流水线是通过重叠多条指令的执行来提高效率的

五、中断与异常

**异常：**指程序正常执行中由于错误而发生的改变，错误原因来自CPU内部或外部。如，溢出、系统调用、故障。
**中断：**由处理器外部事件引起。如，I/O设备请求

中断/异常发生时机：
MIPS中断入口地址可以使用固定地址，中断产生后，保存返回地址及状态，然后由硬件将这个地址送PC。
单周期处理机是在一条指令执行的过程中检测异常事件，当异常事件发生时处理机在该指令结束时转向异常事件处理程序，处理完毕后再返回到用户程序。

第四章 链接