指令集的实现与流水线结构
指令集的实现与流水线结构
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算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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4、流水线需要有“填充时间”（第一个任务流出结果所需的时间）， 在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出 一个结果；
5、流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供 任务，流水线的效率才能充分发挥。
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部件级、处理机级及处理机间流水线
所谓部件级流水线又叫运算操作流水线（Arithmetic pipelines），它是把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各 种数据类型进行流水操作。
所谓处理机级流水线，又叫指令流水线（Instruction pipelines），它是把解释指令的过程按照流水方式处理。
所谓处理机间流水线，又叫宏流水线（Macro pipelines）。
段空 号间
8 7 6
浮点加 1 2 3 … … n-1 n
定点乘 一
一二 一二三
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四
时间
静态流水线 11
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指令集详解
指令集详解一、指令集概述指令集是计算机体系结构中的一部分，它规定了计算机指令的语法和语义，以及指令的操作码和操作数。
指令集是实现操作系统、编译器、汇编器等软件的基础，也是评估计算机性能的重要指标之一。
根据指令集的特点和应用场景，可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两类。
二、指令集架构类型1.复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机（CISC）是指令集的一种类型，其特点是采用长指令字、具有丰富的指令集和复杂的寻址方式。
CISC可以处理各种复杂的计算和数据处理任务，但是其结构较为复杂，功耗较大，成本较高。
常见的CISC架构有x86、MIPS等。
2.精简指令集（RISC）精简指令集计算机（RISC）是另一种指令集类型，其特点是采用短指令字、具有较少的指令集和简单的寻址方式。
RISC结构简单，功耗较低，成本较低，适用于高性能计算和低功耗应用。
常见的RISC架构有ARM、MIPS、PowerPC等。
三、指令集指令格式指令集的指令格式是指令集的一个重要组成部分，它规定了指令的长度、操作码、操作数等信息的格式。
根据不同的指令集类型，指令格式也有所不同。
在CISC架构中，指令长度通常较长，操作码和操作数的比例较高，而在RISC架构中，指令长度较短，操作码和操作数的比例较低。
四、指令集优化技术为了提高计算机的性能，可以采用多种指令集优化技术。
常见的指令集优化技术包括：1.流水线技术：通过将指令执行过程划分为多个阶段，使得多个指令同时执行，提高计算机的吞吐量。
2.寄存器重命名技术：通过为每个寄存器分配一个唯一的名称，避免在指令执行过程中出现数据相关的问题。
3.推测执行技术：通过预测程序中的分支语句，提前执行可能的分支路径，减少分支对计算机性能的影响。
4.并行计算技术：通过多线程、多核等技术实现并行计算，提高计算机的处理能力。
5.动态编译技术：通过实时优化代码，提高程序的执行效率。
五、常见指令集简介1.x86指令集x86指令集是一种常见的复杂指令集，广泛应用于PC和服务器领域。
mips 实验报告
MIPS实验报告1. 引言MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的指令集架构（ISA），被广泛应用于计算机体系结构的教学和研究中。
本实验报告将介绍使用MIPS指令集实现的一系列实验，包括指令执行、流水线设计和缓存优化等。
2. 实验目标本次实验的主要目标是通过设计和实现一系列MIPS指令，加深对计算机体系结构的理解，并掌握MIPS指令的执行过程和流水线设计。
3. 实验环境为了完成实验，我们使用了MIPS模拟器和相应的开发工具。
这些工具提供了一个仿真环境，可以在计算机上执行MIPS指令，并提供了调试和测试的功能。
4. 实验步骤步骤1：设计指令首先，我们需要设计一系列MIPS指令，以实现特定的功能。
例如，我们可以设计一个加法指令，将两个寄存器中的值相加，并将结果存储到另一个寄存器中。
步骤2：实现指令接下来，我们需要在MIPS模拟器中实现这些指令。
通过编写相应的汇编代码，我们可以将指令转化为机器码，并在模拟器中执行。
步骤3：调试和测试一旦指令实现完成，我们就可以开始调试和测试。
通过单步执行指令，我们可以观察程序的执行过程，并检查寄存器和内存中的数据是否符合预期。
步骤4：性能优化在实现指令的过程中，我们还可以考虑对程序进行性能优化。
例如，通过引入流水线技术，可以提高指令的执行速度。
此外，我们还可以设计和实现缓存系统，以减少内存访问的延迟。
5. 实验结果经过一系列的设计、实现和优化，我们成功完成了MIPS指令的实验。
通过观察实验结果，我们可以得出一些结论和发现。
6. 结论本次实验通过设计和实现MIPS指令，加深了对计算机体系结构的理解，并掌握了MIPS指令的执行过程和流水线设计。
通过调试和测试，我们进一步完善和优化了指令的实现。
实验结果表明，我们的设计能够成功执行各种指令，并具有一定的性能优化。
7. 参考文献参考文献提供了关于MIPS指令集和计算机体系结构的详细信息，为本实验提供了重要的支持和指导。
mips控制器设计实验原理
mips控制器设计实验原理MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种32位的RISC （Reduced Instruction Set Computing）处理器架构，旨在提高处理器效率和性能。
MIPS 架构的处理器被广泛应用于各种领域，包括计算机、嵌入式系统、网络设备、数字信号处理等需要高性能的应用中。
在本实验中，我们将学习如何设计一个基于MIPS控制器的处理器。
控制器是一个能够控制处理器各个子系统如存储器、算术逻辑单元（ALU）、输入/输出设备等的模块。
MIPS控制器的设计是关键，因为它可以决定处理器的运行效率和性能。
MIPS控制器的设计需要考虑以下几个方面：1. 指令解码MIPS指令集包含了大量的指令，但是由于指令采用RISC架构，指令集中的每一个指令都很简单，只有少量的寄存器、立即数和内存操作。
控制器需要能够识别每一个指令，并正确地解码指令中的操作数。
为了实现这个目标，控制器需要包含适当的译码电路和其他必要的逻辑门电路。
2. 流水线控制流水线是一种增加处理器效率和性能的技术，通过将指令的执行拆分为多个阶段，多个指令可以在同一时刻被处理。
MIPS架构使用了5级流水线结构，即取指令、指令译码、执行、访问存储器和写回结果。
控制器需要能够控制流水线的各个阶段，确保它们按照正确的顺序执行。
3. 异常处理处理器在执行指令时可能会出现各种错误，如未定义的指令、内存访问冲突、算术溢出等。
这些错误称作异常。
处理器需要能够捕获异常并采取适当的措施，如停止当前指令的执行、中断指令流并处理异常。
控制器需要包含适当的硬件和逻辑电路来处理异常。
4. 输入/输出一个处理器需要有输入/输出接口来连接外部设备，如键盘、鼠标、显示器、网络等。
这些设备通过输入输出端口（I/O端口）与处理器相连。
控制器需要能够控制I/O端口的数据传输，并确保数据在正确的时刻被传输。
计算机体系结构之流水线技术(ppt 125页)
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
流水线结构在cpu中的运用是一种
流水线结构在cpu中的运用是一种随着现代科技的飞速发展，计算机已经成为当今社会不可或缺的重要部分。
其中，主要由中央处理器（CPU）驱动，因此，研究CPU性能和效率非常重要。
流水线结构是增强CPU性能和效率的重要手段，它已经成为CPU设计的核心技术。
流水线结构实际上是围绕一组有序的处理指令，将其分解为一系列子步骤，其中每个子步骤都在独立的层次上进行处理的一种结构。
流水线的工作原理是，不同的指令或操作在不同的阶段完成，每一节点都具有特定的功能和任务。
它允许几个指令同时处理，从而提高了CPU的效率。
由于指令可以并行执行，流水线技术允许CPU在一个时钟周期中完成较多的操作。
流水线结构被用于处理机架构和微型计算机中，以及处理更大更复杂操作的个人计算机系统。
流水线结构的术语指的是一系列的处理步骤，称为管道。
当一条指令进入流水线时，就开始执行。
每条指令在每个管道中都有自己的子步骤，在子步骤完成后，接下来的步骤继续执行，直到完成所有的操作。
流水线结构的主要优势在于可以将CPU处理速度提高数十倍，大大提高系统性能和效率。
管道技术可以更有效地利用CPU时钟周期，并减少完成指令所需时间。
除此之外，流水线结构还可以增加指令集的复杂性，以及增大对存储器的容量要求。
当前，流水线结构可以在几乎所有的微处理器中找到应用。
流水线结构在处理器中发挥着至关重要的作用，它几乎已经成为处理器设计的基础和关键技术要素。
例如，Intel Pentium处理器采用流水线结构，共有5个独立管道，每个管道中都有一系列子步骤，以处理特定指令。
这使得处理器能够在极短的时间内完成较多的操作，从而实现极高的吞吐量。
此外，流水线结构也可以应用于多核处理器的设计中，使每个核心能够独立地处理指令，极大地提高处理器的效率。
例如，AMD的多核处理器都采用流水线结构，它们可以同时处理多个指令，从而提高处理器的性能和效率。
虽然流水线结构可以极大地增加处理器的效率，但是它也存在一些缺点。
计算机体系结构实训课程学习总结指令级并行与流水线设计
计算机体系结构实训课程学习总结指令级并行与流水线设计在计算机科学与技术领域中，计算机体系结构是一门关于计算机硬件与软件的核心学科。
在我修习的计算机体系结构实训课程中，我学习了指令级并行与流水线设计，掌握了该领域的核心概念与技术，下面是我对该课程的学习总结和心得体会。
一、指令级并行概述指令级并行是指在一个周期内同时执行多条指令，以减少指令的执行时间，提高计算机的性能。
在学习指令级并行的过程中，我了解了计算机指令的基本原理及其执行过程。
通过学习指令流水线、数据前推、乱序执行等技术，我深入理解了指令级并行的优势和实现方法。
在实训过程中，我通过搭建指令级并行的实验平台，进行了仿真实验和性能分析。
通过比较顺序执行和指令级并行执行的效果，我发现指令级并行可以大幅度提高计算机的执行效率。
而在实现指令级并行时，我也面临了一些挑战，如数据相关、控制相关等问题，但通过优化代码和调整指令执行顺序，我成功地解决了这些问题。
这个过程让我深刻体会到指令级并行设计的重要性和技术难点。
二、流水线设计与优化流水线设计是指将计算机指令的执行过程划分为多个阶段，并使不同阶段的指令并行执行，从而提高计算机的吞吐量。
在学习流水线设计的过程中，我深入了解了流水线的原理、特点和结构。
通过学习流水线的组织方式、数据冒险、控制冒险等问题，我掌握了流水线设计的关键技术。
在实验中，我设计了一个基于流水线的简单计算机，并通过编写适当的指令集和流水线寄存器，实现了流水线的功能。
通过性能测试，我发现流水线设计可以显著提高计算机的执行效率和吞吐量。
然而，我也发现了一些流水线设计中的问题，比如分支预测错误、资源冲突等，这些问题对流水线的性能产生了负面影响。
通过调整分支预测策略和添加冲突检测机制，我成功地进行了优化，提高了流水线设计的性能。
三、实训过程中的收获与反思通过学习指令级并行与流水线设计，我不仅极大地提高了对计算机体系结构的理解和掌握，还培养了解决实际问题的能力。
npu框架和工作原理
npu框架和工作原理NPU，即神经网络处理器，是专门为神经网络计算而设计的一种处理器。
其工作原理和框架主要涉及以下几个方面：一、NPU框架NPU的框架主要包括计算单元、数据存储、指令集架构以及流水线结构等关键部分。
1.计算单元：这是NPU的核心部件，通常采用矩阵计算、向量计算等方式，可以快速执行如矩阵乘法、卷积等神经网络计算中的基本操作。
2.数据存储：由于神经网络模型通常非常庞大，NPU需要具备足够的存储容量来存储模型参数和中间计算结果。
一般采用高速缓存和显存的结合方式，以便更快地存取和读取数据。
3.指令集架构：NPU基本架构采用了特定的指令集架构，以支持AI计算任务的高效执行。
常见的指令包括矩阵乘法指令、向量加法指令和激活函数指令等。
4.流水线结构：为了提高计算效率，NPU基本架构还采用了流水线结构。
流水线将指令的执行过程划分为多个阶段，每个阶段都可以并行执行不同的指令，这样可以提高指令的吞吐量和并行度，加快计算速度。
二、NPU工作原理NPU的工作原理主要是接收输入数据，通过神经网络进行计算，并输出结果。
在这个过程中，NPU的计算单元会执行大量的矩阵运算和向量运算，以实现神经网络的前向传播和反向传播。
此外，NPU还通过优化数据存储和访问方式，以及采用特定的指令集架构和流水线结构，来提高神经网络计算的效率。
例如，NPU可以通过数据压缩技术来减少内存带宽的占用，从而提高计算速度；同时，NPU还可以通过软件定义的方式来修改运行状态下硬件逻辑单元的运算与互联，以实现更高的灵活性和可扩展性。
总的来说，NPU通过其独特的框架和工作原理，能够高效地处理神经网络计算任务，为人工智能应用提供强大的计算支持。
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0 funct 6 bits
0 0
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从指令逻辑映射到寄存器传输级（RTL）
• RTL描述了指令在硬件实现上的具体意义 • 所有行为都从指令获取开始
op | rs | rt | rd | shamt | funct = MEM[ PC ]
算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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算术流水线
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• 2. 数据通路的时钟驱动策略 • 3. 整合数据通路以满足各项需求 • 4. 分析各条指令的实现方案以确定寄存器传输过程的控制逻辑 • 5. 整合控制逻辑
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MIPS指令格式
• 所有MIPS指令的宽度都是32 bits. 有三种格式:
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流水线的基本概念
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– Write Enable = 1: 根据address 将Data In bus上的数据写入到 选择相应的数据字上。
• 时钟输入 (CLK)
– 只影响写操作 – 对于读操作，存储器像组合逻辑一样工作:
• Address valid => Data Out
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IN S1
S2
S3
S4
OUT
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理想化的流水线
• Uniform subcomputations. 可以将总体计算任务划分为具有 均匀延迟的子任务。
• Identical computations. 同样的计算任务在流水线上反复执 行。
段空 号间
浮点加
定点乘
8
1 2 3 … … n-1 n 一 二 三 四
7
一二三四五
6
一二三四五六
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四五六七
时间
动态流水线 12
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存储单元：理想存储器
• 理想存储器
Write Enable Address
– 1个输入总线: Data In – 1个输出总线: Data Out • 访存操作
Data In
32 Clk
DataOut 32
– 根据Address 选择相应的数据字输出到Data Out
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输入
输入
求阶差
求阶差
对阶
对阶
相加
相加
规格化
规格化
相乘
单功累能加流水线
输出
输出
输入
流这
水些
没
有
实
际
操
作
的
节
拍
也
要
相乘
单功累能加流水线
输出
单功能流水线
多功能流水线（TI ASC）
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它是由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每
个处理机完成一项任务。
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标量流水处理机和向量流水处理机
所谓标量流水处理机（scalar pipelines processor)，是指 处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。
段空 号间
8 7 6
浮点加 1 2 3 … … n-1 n
ห้องสมุดไป่ตู้定点乘 一
一二 一二三
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四
时间
静态流水线 11
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31
26
21
16
11
6
– R-type
op
6 bits
31
26
rs
5 bits 21
rt
5 bits 16
rd 5 bits
shamt 5 bits
– I-type
op
rs
rt
immediate
– J-type
6 bits
31
26
op
5 bits
5 bits
16 bits
target address
Clk
• 有效 (1): 数据输出更新为输入值
Write Enable
Data In N
MUX
N
N
Data Out N
Clk
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存储单元：寄存器堆
• 寄存器堆（Register File） 32个寄存器组成:
RW RA RB
– 2个32-bit 输出总线:
– RW (number)选择相应的寄存器写入 busW (data) 上的数据， （Enable=1）
• 时钟输入 (CLK)
– 写操作由时钟所控制，必须由时钟边沿来驱动和同步
– 读操作不须等待时钟边沿，选择寄存器，立刻得到其输出值:
• RA or RB valid => busA or busB
4、流水线需要有“填充时间”（第一个任务流出结果所需的时间）， 在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出 一个结果；
5、流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供 任务，流水线的效率才能充分发挥。
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时序逻辑的表征
• 寄存器
Write Enable
– 由 D Flip Flop构成
• N-bit 输入和输出
Data In
• 具有写有效信号（Write Enable） N
Data Out N
– Write Enable:
• 无效 (0): 数据输出不变
• Independent computations. 各次计算任务直接没有依赖性。
流水线的目的是在相对较少的成本下提升系统的吞吐率。 理想流水线代表了现实流水线所能达到的吞吐率的上界。
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算术流水线
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流水线技术的定义
所谓流水技术，是指将一个重复的时序过程，分解成为若 干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与 其他子过程同时执行。
描述流水线工作的时空图
空 间
工序4 工序3
工序2
工序1
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
时间
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所谓向量流水处理机（ vector pipelines processor)，是 指处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元 素进行处理。
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线性流水线与非线性流水线
a） 线性流水线：流水过程中，从输入至输出每功能段仅 经过一次，不存在反馈。 b） 非线性流水线：存在反馈，某些流水功能段允许被通过 数次。
else PC <– PC + 4
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组合逻辑的表征
• 加法器
A 32 B 32
Adder
32 Sum Carry
• 多路选择 器
• 算术逻辑 运算单元
Select
A 32 B 32
MUX
32 Y
OP
A 32 B 32
ALU
32 Result
PC <– PC + 4
LOAD R[rt] <– MEM[ R[rs] + sign_ext(Imm16)]; PC <– PC + 4
STORE MEM[ R[rs] + sign_ext(Imm16) ] <– R[rt]; PC <– PC + 4