32位MIPS构架的流水线的逻辑设计

论文摘要

RISC技术是上世纪80年代发展起来的处理器设计新技术，它的产生对整个计算机界产生了巨大的影响。目前有RISC和CISC两大主流技术，而现今使用RISC技术的越来越多，其中一个特点就是指令简单，容易译码，使用流水线技术使得其性能提高很多。MIPS就是RISC的一个很好的版本，它十分适合流水线技术的运用。本文对MIPS构架进行介绍，详细地讨论了寄存器堆、指令集、Cache的设计、存储单元管理的结构和性能，中断/异常的处理。提出解决流水线中结构相关、数据相关和控制相关问题的有效方法，增加硬件资源来解决流水线中的结构相关问题，用数据前推法解决了流水线中的数据相关问题，用后退法和动态分支预取技术（BTB）解决了流水线中的控制相关问题，这些方法都能有效地提高流水线的性能。将流水线设计为五级，合理安排流水线中每级的任务，并对流水线中每个执行阶段的设计给出了详细的说明和讨论。使用硬件描述语言Verilog HDL设计出五级的流水线，并且通过综合，功能仿真和时序仿真。结果表明设计的五级流水线的功能正确，使得流水线每一周期执行的指令数接近于1，其性能也得到提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 RISC 技术
• 1.2 MIPS 发展史
• 1.3 流水线技术
• 1.3.1 什么是流水线
• 1.3.2 流水线和频率的关系
• 1.3.3 长流水线的问题
• 1.4 国内 CPU 发展情况
• 1.5 本文所做的工作和内容安排
• 第二章 32 位MIPS 系统结构
• 2.1 32 位 MIPS 处理器系统结构
• 2.1.1 MIPS 处理器
• 2.1.2 MIPS 寄存器堆
• 2.1.3 指令集
• 2.1.4 MIPS 系统构架中 Cache 的设计
• 2.1.5 MIPS 系统控制协处理器（CP0）
• 2.1.6 MIPS 中断和异常
• 2.1.7 存储管理系统
• 2.2 小结
• 第三章 流水线问题的处理和流水线的逻辑设计
• 3.1 流水线问题的处理
• 3.1.1 相关性问题
• 3.1.2 相关性问题的处理
• 3.2 流水线的设计
• 3.2.1 流水线中 IF 阶段
• 3.2.2 流水线中的 ID 阶段
• 3.2.3 流水线中的 EXE 阶段
• 3.2.4 流水线中的 MEM 阶段
• 3.2.5 流水线中的 WB 阶段
• 3.2.6 整个流水线的构架
• 3.3 小结
• 第四章 流水线时序仿真结果
• 4.1 流水线第一阶段 IF
• 4.2 流水线第二阶段 ID
• 4.3 流水线第三阶段 EXE
• 4.4 流水线第四阶段 MEM
• 4.5 流水线第五阶段 WB
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献