MIPS指令五级流水CPU设计剖析

MIPS指令五级流水CPU设计剖析MIPS指令五级流水CPU设计是一种高性能的处理器设计架构，它将指令的执行过程拆分为五个阶段，并且在每个阶段中可以同时处理多条指令，实现了指令级并行处理。

在这种设计中，分别是取指（Instruction Fetch）、译码（Instruction Decode）、执行（Execute）、访存（Memory Access）和写回（Write Back）这五个阶段。

在MIPS指令五级流水CPU设计中，首先是取指（Instruction Fetch）阶段，这是整个处理器开始处理一条指令的阶段。

在这个阶段，处理器从指令存储器中读取即将执行的指令，并将其送入流水线中。

这个阶段还会包括对指令地址的计算和异常处理的操作。

当一条指令流入流水线后，处理器就会进行下一个阶段的操作。

接下来是译码（Instruction Decode）阶段，这个阶段主要是将取到的指令进行解码，确定指令的操作类型和需要操作的寄存器等信息。

在这个阶段，会根据指令的不同分支到不同的功能单元中处理。

同时还会识别指令之间的数据相关性，以便在后续阶段进行相应的控制。

第三个阶段是执行（Execute）阶段，在这个阶段，CPU执行指令的操作，进行算数运算或逻辑运算，或者进行跳转等控制操作。

在这个阶段，CPU还将从寄存器文件中读取数据，并进行相应的运算。

这个阶段涉及到的计算量比较大，所以需要比较多的时钟周期来完成。

接下来是访存（Memory Access）阶段，这个阶段主要是处理访问数据内存的操作，比如从数据内存中读取数据，或将结果写入数据内存等。

在这个阶段，处理器还会涉及到访存相关的操作，比如缓存机制的处理等。

这个阶段的操作通常是比较高速的存储器操作。

最后是写回（Write Back）阶段，这个阶段是处理器的最后一个阶段，处理器将执行结果写回到寄存器文件中，或进行其他相关的操作。

这个阶段可以认为是指令执行的结束阶段，对前面四个阶段产生的结果进行最终的处理。

基于MIPS指令集的流水线CPU设计与实现刘秋菊;张光照;王仲英【摘要】提出了一种CPU设计方案,实现指令集为MIPS指令集中选取15条指令作为本CPU的基本指令,采用基本5步流水线CPU设计.分析了流水线CPU的逻辑结构与指令的处理过程,给出了取指阶段IF、译码阶段ID、执行阶段EX、内存访问阶段MEM、寄存器写回阶段WB阶段的设计与实现.对流水线产生的相关性问题,采用Bubble法和Forwarding法相结合的方法来消除相关性,在FPGA平台上进行了测试,测试结果表明,该方案符合设计要求.%In this paper,a design method of CPU was proposed,the instruction set of the CPU contained 15 items of MIPS instruction set,and the basic method of five step pipeline CPU design was used.Analyses were conducted on the logic structure of the pipeline CPU and the processing of the instruction.This paper also gave design and realization of stage IF,stage ID,stage EX,stage MEM and stage WB.About the pipeline-related problems,the paper adopted Bubble and Forwarding technologies to eliminate it.The tests on the FPGA platform show that the scheme meets the design requirements.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】6页(P148-152,172)【关键词】流水线;中央处理器;设计;指令集【作者】刘秋菊;张光照;王仲英【作者单位】郑州工程技术学院信息工程学院,郑州450000;河南经贸职业学院技术科学系,郑州450018;河南经贸职业学院技术科学系,郑州450018【正文语种】中文【中图分类】TP332在工业设计和机器人研究中，微处理器作为控制部件的核心是设计的关键，其性能直接影响整个系统的性能。

MIPS指令五级流水CPU设计剖析MIPS指令五级流水将指令的执行过程划分为取指（Instruction Fetch, IF）、译码（Instruction Decode, ID）、执行（Execution, EX）、访存（Memory Access, MEM）和写回（Write Back, WB）五个阶段。

每个阶段由一个独立的硬件逻辑电路实现，这样指令可以在同一时间在不同阶段同时执行，从而提高了CPU的吞吐量。

在取指阶段，CPU从指令缓存（Instruction Cache）中读取指令，并将其送入指令译码阶段。

取指阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU从PC寄存器中读取下一条指令的地址；然后，CPU将这个地址发送到指令缓存中，读取对应的指令；最后，CPU将读取到的指令送入译码阶段。

在译码阶段，CPU对指令进行译码，确定指令的类型和操作数，并将这些信息传递给执行阶段。

译码阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU从指令中解析出操作码和操作数；然后，CPU根据操作码确定指令的类型，并确定需要使用的操作数；最后，CPU将指令类型和操作数传递给执行阶段。

在执行阶段，CPU执行指令的实际操作，并计算结果。

执行阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU根据指令类型和操作数进行相应的运算；然后，CPU将计算结果传递给访存阶段或写回阶段，具体传递给哪个阶段取决于指令的类型；最后，CPU将执行完成的指令从流水线中清除。

在访存阶段，CPU将数据存储到内存或从内存中读取数据，并将数据传递给下一个阶段。

访存阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU将执行阶段产生的数据存储到内存；然后，CPU从内存中读取数据；最后，CPU将读取到的数据传递给写回阶段或下一个指令的取指阶段。

在写回阶段，CPU将执行阶段产生的结果写回到寄存器文件（Register File）中，以保存计算结果。

写回阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU将执行阶段产生的结果写入寄存器文件；然后，CPU更新PC寄存器的值，以指向下一条需要执行的指令；最后，CPU将流水线上所有已经执行完成的指令清除。

指令级流水指令级并行计算机体系结构Report2指令级流水和指令级并行——永无休止的“完美”追求戚洪源目录一、性能瓶颈来源 (4)1、单周期、多周期MIPS结构性能瓶颈 (4)2、简单的五级流水MIPS性能瓶颈来源 (4)相关 (4)冲突 (5)二、突破瓶颈的可能性 (5)三、性能提升的具体方法 (6)1、简单的硬件实现方法 (6)定向技术 (6)投机 (6)2、基于软件（编译器）的静态调度方法 (7)预测分支 (7)3、软硬件结合的动态调度方法 (8)Tomasulo算法 (8)动态分支预测 (8)4、多指令流出 (9)基于静态调度的多流出技术 (9)基于动态调度的多流出技术 (9)超长指令字技术 (10)超流水线技术 (10)5、循环展开和指令调度 (10)四、总结 (10)摘要：有人说，如果计算机科学与技术是一座金字塔，位于塔尖的一定是高性能计算。

从计算机诞生至今，每一次进步都是对于计算机性能极限的一次刷新。

人类对于计算性能日益膨胀的需求，前沿科技对于高性能计算的考验，都促使这一领域不断发展。

单纯硬件技术上的改革是非常重要的：主频的提高、稳定的晶体管……但我们同样惊艳于并行技术在其中发挥的神奇的作用。

各种并行技术犹如催化剂一般，使提高计算机性能的进程大大加快。

这些技术的应用，不断挖掘着计算机潜在的性能，也让人类在一条追求“完美”的道路上不断前行。

何谓“完美”？这是一个看起来复杂实际上非常简单的问题。

“完美”，就是让计算机每一个部件每时每刻全负荷运作，发挥最高的性能。

看似简单，但却很难实现，也不可能实现。

并行技术的发展，也是追求“完美”的尝试。

然而程序“性本恶”，程序本身的许多特性为并行化带来了不小的麻烦。

我们其实是在和自己斗争。

“榨干计算机每一滴性能”，这是ASC15上浪潮集团首席科学家王恩东演讲时说的一句话。

在我看来，不论是指令级流水还是指令级并行，目的都是为了“榨干计算机每一滴性能”。