计算机组织与糸统结构 设计名周期地理器 Designing a multiple cycle processor (第十二讲) 程旭 20004.17 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ¯æ §ù;é øö²Ð¯í Eftjhojoh!b!Nvmujqmf!Dzdmf!Qspdfttps Ä ZÅ È
处理器设计过程 °自底向上 组装部件,根据情况,建立关键时序 °自顶向下 ·根据高级需求,描述出部件行为 °循环往复、逐步求精 首先建立局部解决方案,再不断扩展和改进 指令系统体系结构一处理器 数据通路 控制 寄存器堆 Mux ALUReg||Mem译码器时序发生器 单元 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 46îÑ÷; e¾iåÞ ¼ÊÈ BÈÎGÊc e¾Jåß B¬{ÔÈ£ÄÎ¼Ê e~TáÃä9 j μ· Èaá=)` ¯ DBîà { Är ØÚ< ,<Ú 0X[ $/8 5HJ 0HP ¥Õ< Êc¥ó< ) ¼
单周期处理器 ALUop ALU LUcar RegIst func Control Main ALUSh Instr6 Control Instr Branch Instruction Instruction Jump Fetch unit Regist CIk-CN UX Rs Rt Rt rs rd Imm16 Reg wr ALlUctr Zero I MentoR Rw Ra rb bus W 3232-bit 32 Registers usB 32 WrEn adr Data in imm16 nstr16 ×=aR Memorv ALUSrc ExtOn 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ O 46 08; 08; $/8FWU &ON EXV: 5HJ:U EXV$ EXV% 5Z 5D 5E ELW 5HJLVWHUV 5V 5W 5W 5G 5HJ'VW ([WHQGHU 0X[ LPP $/86UF ([W2S 0HPWR5HJ &ON 'DWD,Q :U(Q $GU 'DWD 0HPRU\ 0HP:U ,QVWUXFWLRQ )HWFK8QLW &ON =HUR ,QVWUXFWLRQ ! -XPS %UDQFK ! ! ! ! 5W 5V 5G ,PP 0DLQ &RQWURO RS $/8 IXQF &RQWURO $/8RS $/8FWU 5HJ'VW $/86UF ,QVWU ! ,QVWU ! ,QVWU ! $/8
主控制器(主控)的真值表 RegIst func ALUSrc ALU LUcar →主控 控制 ALU (局部 000000 001101100011010110001000000 R-ty orI SW b ump Regist 0 ALUSre Memtoreg 0 Reg write 0 Mem Write Branch ump ExtOn ALUop Symbolic R-type O AddAdd Subtract XXX ALUop 0 ALUop 0 ALUop 0 0 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ k×fk×´Ol 5W\SH RUL OZ VZ EHT MXPS 5HJ'VW $/86UF 0HPWR5HJ 5HJ:ULWH 0HP:ULWH %UDQFK -XPS ([W2S $/8RS 6\PEROLF [ 5W\SH 2U $GG [ [ $GG [ [ [ 6XEWUDFW [ [ [ [ [[[ RS $/8RS ! [ $/8RS ! [ $/8RS ! [ RS { $/8 { ¼ IXQF $/8RS $/8FWU 5HJ'VW $/86UF
主控的PLA实现 0p ALUop 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ k×´3/$Îà RS ! RS ! RS ! !RS ! !RS ! !RS ! !RS ! ! 5W\SH RUL OZ VZ EHT MXPS 5HJ:ULWH $/86UF 0HPWR5HJ 0HP:ULWH %UDQFK -XPS 5HJ'VW ([W2S $/8RS ! $/8RS ! $/8RS !
控制信号的生成系统 Decode OPcode Control Logic/Store PLA, ROM) microinstruction Contro Points Datapath °在单周期处理器中,每条指令都是通过唯一一个控制命令(或微指令)来实现的 总的来说,控制器就是一个有限状态自动机 ·微指令也能够产生控制序列(下面将介绍) 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ×f'´O@+ eü)<óØÚ<£5Û¸ÑîÔÔþ{ Q¸ÄêÛ¸Å9rX X9È{ <ÔþÝ$Õ¾| Û¸3Ñó{ó{ cë ß6Ú¡ &RQWURO/RJLF6WRUH 3/$520 23FRGH'DWDSDWK ,QVWUXFWLRQ 'HFRGH &RQGLWLRQV &RQWURO 3RLQWV PLFURLQVWUXFWLRQ
教学目标:已经掌握的內容 °计算机的五个基本部件 处理器 输入 控制 存储器 数据通路 输出 °本讲主题:多周期数据通路设计 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ eukXhþÎ¼Ê el î<óDBîÃu { DBîà ,|< ØÚ< g9gÎ 7 "ÿ¼´µé
本讲提纲 °复习:单周期处理器 °较高速的设计 °多周期数据通路 °性能分析 °多周期控制引论 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ \ââ eá4 )<óØÚ< eW¬óXu eî<óDBîà eûÑÚd eî<ó{ é
单周期处理器的抽象图 Main Control ALU fun control B|5 ALU o2 c 90500 °看起来就象一个以PC为状态的有穷状态自动机 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ O46´í. eßK95Ôþ¹3&ÕXÝKÕ¾| 3& 1H[W3& 5HJLVWHU )HWFK$/8 5HJ :UW 0HP $FFHVV 'DWD 0HP ,QVWUXFWLRQ )HWFK 5HVXOW6WRUH $/86UF $/8FWU 5HJ'VW ([W2S 0HP:U (TXDO Q3& BVHO 0HP5G 0HP:U 5HJ:U 0DLQ &RQWURO $/8 FRQWURO RS IXQ ([W
上一讲设计的CPI=1的处理器的问题 算术逻辑指令 PC Inst Memory Reg file mux/setup 装入指令 PC Inst Memory Reg File mux ALU Data Mem muxpetupl 关键路径 存储指令 PC Inst Memory Reg File mux ALU Data Mem 转移 PC Inst Memory Reg File cmp mux °时钟周期长 °所有指令都需要最长指令执行所需的时间 实际的存储器并不象我们假设的理想处理器那么好 ·并不能在一个短周期内完成所有工作 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ :0âîÑ´&3, ´46´ È eÊs<óS eÝÛ¸ÑÔUÔSÛ¸; ÔXÊÈ erX,|<Já5åÀXÚÇØÚ<w Q JáÑüÔþÁ<óY`äݹ0 3& ,QVW0HPRU\ PX[ $/8 'DWD 0HP PX[ 3& ,QVW0HPRU\ 5HJ )LOH PX[ $/8 PX[ 3& ,QVW0HPRU\ PX[ $/8 'DWD 0HP 3& ,QVW0HPRU\ FPS PX[ 5HJ )LOH 5HJ )LOH 5HJ )LOH keÛ¸ 9Û¸ ,|Û¸ @Ï GÃX VHWXS VHWXS