流水线设计

计算机系统结构课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 学    院 计算机工程 班    级   xxxxxxx 。 姓    名   xxx  学    号 xxxxxxxxxx。 课设名称 流水线设计 指导老师     xxxxx    。 评    语 2015 年 7 月 14 日 目录 一、 引言    3 1.流水的基本概念    3 2.流水线的特点    4 3.相关处理    5 二、 实验    5 1. 实验目的    5 2. 实验设备    6 3. 实验原理    6 4. 实验过程    11 5. 结果分析    12 三、 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf     15 四、 参考文献    15 1、引言 流水方式是把一个复杂的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以与其它子过程同时进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此，把它称为流水线工作方式。 （1）流水的基本概念 流水可以看作是重叠的引申，一次重叠是一种简单的指令流水线。一次重叠是把一条指令分解为“分析”和“执行”两个子过程，这两个子过程分别在执行分析部件和指令执行部件中完成。如图 9-1-1 所示。由于在指令分析部件和指令执行部件的输出端各有一个锁存器，可以分别保存指令分析和指令执行的结果，因此，指令分析和指令执行部件可以完全独立并行地工作，而不必等一条指令的“分析”、“执行”子过程都完成之后才送入下一条指令。分析部件在完成一条指令“分析”并将结果送入指令执行部件的同时，就可以开始分析下一条指令。 上图中如果指令分析部件分析一条指令所用的时间t1与指令执行部件执行一条指令所用的时间  相等，即 t1=t2t2=t ，就一条指令的解释来看还是需要 2t ，但是从机器的输出来看，每过t就有一条指令执行完成。因此，机器执行指令的速度提高了一倍。如果把“分析”子过程再细分成“取指令”、“指令译码”和“取操作数”3 个子过程，并加快“执行”子过程，使 4 个子过程都能独立地工作，且经过的时间都是t。如图 9-1-2（a）所示，则可以描述出流水的时空图如图 9-1-2（b）。在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个任务在流水线中所经过的时间。纵坐标表示空间，即流水线的各个子过程。在时空图中，流水线的一个子过程通常成为“功能段”。从时空图中，可以很清楚的看出各个任务在流水线的各段中的流动的过程。从横坐标方向看，流水线中的各个功能部件逐个连续地完成自己的任务；从纵坐标看，在同一时间段内有多个功能段在同时工作。在上面的流水线中，对于“取指令”、“指令译码”、“取操作数”、“执行”每个子过程都需要t时间完成，这样，虽然完成一条指令所需的时间还是一个 ，但是每隔一个Tt（T/4）时间就会一条指令结果输出，这样的执行效率比顺序方式提高了 3 倍。 （2）流水线的特点 采用流水线方式的处理机与传统的顺序执行方式相比，具有如下特点： 1．流水线中处理的必须是连续的任务，只有连续不断地提供任务才能发挥流水线的效率。流水线从开始启动到流出第一个结果需要一个“装入时间”，在这段时期内并没有流出任何结果，所以，对第一条指令来说，和顺序执行没有区别。 2．在流水线每个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，用于保存本段的执行结果，以保证各部件之间速度匹配及各部件独立并行的运行。 3．流水线是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间。流水线中各段的执行时间应尽量相等，否则将引起“堵塞”、“断流”等。执行时间最长的一段将成为整个流水线的“瓶颈”，在流水线中应尽量解决“瓶颈”。 （3）相关处理 由于流水是同时解释多条指令，肯定会出现更多的相关。所谓相关是指在一段程序的相近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠执行。通常，把相关分为两大类，一类是数据相关，另一类是控制相关。数据相关主要有四种，分别是指令相关、主存操作数相关、通用寄存器相关和变址相关。解决数据相关的方法通常有两种，一种是推后分析法，在遇到数据相关时，推后本条指令的分析，直至所需要的数据写入到相关的存储单元中；另一种方法是设置专用通路，即不必等所需要的数据写入到相关的存储单元中，而是经专门设置的数据通路读取所需要的数据。控制相关是指因为程序的执行方向可能改变而引起的相关。可能改变程序执行方向的指令通常有无条件转移、一般条件转移、子程序调用、中断等。 2、实验 1.实验目的 在掌握 RISC 处理器构成的模型机实验基础上，进一步将其构成一台具有流水功能的模型机。 2.实验设备 PC 机一台， TD-CMA 实验系统一套。 3.实验原理 1.本实验中 RISC 处理器指令系统的定义 A．选用使用频度比较高的五条基本指令：MOV、ADD、STORE、    LOAD、JMP B．寻址方式采用寄存器寻址及直接寻址两种方式。 C．指令 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 采用单字长及双字长两种格式： 其中 Rs、Rd 为不同状态，则选中不同寄存器： Rs 或 Rd 寄存器 0 0 0 1 1 0 1 1 R0 R1 R2 R3     Rd 暂存器 0 0 1 1 A B     MOV、ADD 两条指令为单周期执行完成。STORE、LOAD、JMP 三条    指令为两周期执行完成。在 STORE、LOAD 两条指令里，A 为存或    取数的直接地址；在 JMP 指令里，A 为转移地址的立即数。 2.基于 RISC 处理器的流水 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计原理： A．本模型机采用的数据通路图如图 9-2-1 所示： B．流水模型机工作原理示意图如图 9-2-2： 本实验的流水模型机采用两级流水，将系统分为“指令分析部件”和“指令执行部件”，各部件的执行周期均为一个机器周期。如图 9-2-2 所示：“指令分析部件”主要是取指、译码、操作数形成，IR1 将指令码锁存，译码产生出分析部件所需的控制信号，形成操作数，在机器周期结束时，也就是 T4 的下沿将指令码递推到 IR2 锁存，完成指令的分析。“指令执行部件”主要负责执行指令，在 IR2 锁存指令码后，就会译码出执行部件需要的控制信号，完成指令的执行。与此同时分析部件完成了下一条指令的分析。以上的过程反应出了流水技术在“时空”上的并行性。除第一个机器周期外，其它周期两个部件都是同时工作的，每一个周期都会有一个结果输出。 “指令分析部件”的设计主要采用了 PC 专用通路和两级暂存技术，PC 专用通路是为访存指令预取操作数地址而用，暂存器是用来暂存操作数地址，设计两级暂存可以避免连续两条访 存指令带来的冲突。如果是一级暂存，在分析第一条访存指令时，在 T3 时刻将操作数地址存入暂存。在下一个机器周期里执行该访存指令，同时分析第二条访存指令，第一条访存指令的操作数地址要在 T4 时刻才用到，但是 T3 时刻已经被分析的第二条访存指令的操作数地址复盖，这样就引起了冲突。两级暂存可解决这问题。“指令执行部件”采用实验系统的 ALU® 单元来构建。 下面介绍一下流水方案的逻辑实现。将一个机器周期分成四个节拍，分别为 T1、T2、T3、T4。首先在 T1 时刻的上沿，程序计数器 PC 将操作码地址打入地址寄存器 AR（PC－＞AR）；然后在 T2 时刻的上沿，PC＋1 并且将指令的操作码打入指令寄存器；如果是单字节指令，如MOV、ADD 指令，到此已经完成了指令的预取及分析，如果是双字节指令，如 STORE、LOAD指令(JMP 指令例外)，在 T3 时刻的上沿选中 PC 专通路，将操作数地址打入暂存 1 中保存，JMP 指令则将转移地址直接打入 PC 中；在 T4 时刻的上沿，PC＋1（JMP 指令则不加 1）并且将暂存 1 的数据打入暂存 2 中保存；在 T4 的下沿将控制信号锁存。这时双字节指令的预取及分 析也完成。在下一个机器周期的 T4 时刻完成指令的执行。 指令分析部件”同时预取分析下一条指令。 C．本实验的指令系统如下： D．本实验的程序如下： 3.本实验“指令执行部件”由实验系统的 ALU® 单元电路来构建，输入设备、输出设备、RAM 及时序仍由实验系统上的 IN 输入单元、OUT 输出显示单元、MEM 存储器单元及时序与操作台单元电路给出，其余全部用实验系统的 CPLD 单元来设计实现。在本实验的设计中，00H~7FH 为存储器地址，80H 为输入单元端口地址，82H 为输出单元端口地址。 4.CPLD 芯片设计程序 1）在图9-2-1中须用CPLD描述部分见图9-2-3 2）顶层模块电路图见图9-2-4 3）设计各子模块功能描述程序。 4.实验过程 1．编辑、编译所设计 CPLD 芯片的程序，其引脚可配置如图 9-2-5 所示。 2．关闭实验系统电源，把时序与操作台单元的“MODE”短路块短接、 SPK”短路块断开，使系统工作在四节拍模式，按图 9-2-6 连接实验电路。 3．打开电源，将生成的 POF 文件下载至 CPLD 芯片中。 4．联上 PC 机，运行 TD-CMA 联机软件，将上述程序写入相应的地址单元中或用“【转储】—【装载】”功能将该实验对应的文件载入实验系统。 5．将时序与操作台单元的开关 KK1、KK3 置为‘运行’档，按动 CON 单元的总清按钮 CLR，将使程序计数器 PC、地址寄存器 AR 和微程序地址为 00H，程序可以从头开始运行，暂存器 A、B，指令寄存器 IR 和 OUT 单元也会被清零。在输入单元上置一数据，将时序与操作台单元的开关 KK2 置为‘单拍’档，每按动一次 ST按钮，对照数据通路图，分析数据和控制信号是否正确。当模型机执行完 JMP 指令后，检查 OUT 单元显示的数是否正确，按下 CON 单元的总清按钮 CLR，改变 IN 单元的值，再次执行机器程序，从 OUT 单元显示的数判别程序执行是否正确。 6．在联机软件界面下，完成装载机器指令后，选择“【实验】－【流水模型机】” 功能菜 单打开相应动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、调试模型机的实验程序。 5.结果分析 连接好机器，打开电源，在input单元输入0000 1100（即0CH），装载事先写好的流水线文件打开并载入，运行流水线模型机，对机器清零，就可以执行了。 1.将输入的数据送到R2 2.将R2数据送到DR1 3.将R2数据送到DR2 4.将DR1的数据和DR2的数据相加后送到R2 5.将R2中的数据输出 6.执行完上述指令后，执行JMP将输入的数据送到R2 实验连线： 实验运行： 图一 图二 实验结果： 输入in=0CH,输出out=18H 3、总结 通过本次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关流水线方面的知识，在设计过程中虽然遇到一些问题，但经过反复思考，仔细检查终于找到问题所在，同时暴露了前期个人在这方面的知识欠缺和经验不足，实践出真知，刚开始做时，好多人出现串口通讯失败，庆幸自己没遇到此问题，然而出现此问题的原因大多是有电路连线有问题或是实验板有问题，因此在连线时要特别注意，等连完后要做复查，确保无误后再打开电源，等出现问题后第一时间也是要查连线，要特别注意排线不要反接了。同时在设计中也遇到很多问题，刚开始那会，大家都没烧写lsh.pof文件导致实验不能继续，最终还是在老师和同学的悉心帮助下解决，使我认识到在未来不管是学习还是工作，除了自己的不懈努力，还要有外力的推助，这样子才能成功。 在课程设计中不仅培养了独立思考的能力，还加强了动手能力。该门课程本来就是偏理论性特别强的课程，通过实验让我们将理论知识付诸于实践，在实践中检验“真理”。 在这次设计过程中，体现自己设计能力以及综合应用知识的能力，体会了学以致用、突破自我的喜悦，同时也发现自己的不足，在以后的学习或工作中会努力改过。最后感谢老师、感谢同学~ 4、参考文献 【1】CMA组成原理与系统结构.唐都 【2】计算机系统结构 第五版.李学干 【3】计算机组成原理.机械工业出版社 2010 【4】基于FPGA的计算机组成与结构实验系统的设计与实现.邵天增