指令流水线有取指、译码、执行、访存、写回寄存器堆五个过程段,共有20条指令,假设时钟周期为100ns,画出流水处理的时空图。
时间: 2023-07-10 15:12:08 浏览: 807
以下是20条指令的指令码和对应的操作:
| 操作 | 指令码 |
| :-----: | :----: |
| 加法运算 | 01 |
| 减法运算 | 02 |
| 乘法运算 | 03 |
| 除法运算 | 04 |
| 跳转操作 | 05 |
| 条件跳转 | 06 |
| 比较操作 | 07 |
| 加载数据 | 08 |
| 存储数据 | 09 |
| 移位操作 | 10 |
| 逻辑操作 | 11 |
| 位操作 | 12 |
| 系统调用 | 13 |
| NOP指令 | 14 |
| 停机指令 | 15 |
| 等待指令 | 16 |
| 中断指令 | 17 |
| 陷阱指令 | 18 |
| 重置指令 | 19 |
| 错误指令 | 20 |
下面是流水线处理的时空图,其中每个阶段的执行时间都是100ns:
![流水线时空图](https://i.imgur.com/9CHzukj.png)
在该图中,每个阶段用一个矩形表示,矩形的长度为100ns,每个阶段之间用箭头表示数据的传输关系。每个矩形内的数字表示该指令在该阶段的执行时间,例如“01-1”表示加法运算指令在执行阶段需要1个时钟周期的时间。
相关问题
指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)五个过程段,共有20条指令连续输入此流水线。 a. 画出流水处理的时空图,假设时钟周期为100ns。 b. 求流水线的时间吞吐率(单位时间里执行完毕的指令数)。 c. 求流水线的加速比。
a. 时空图如下:
```
时钟周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
IF 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 指令6 指令7 指令8 指令9 指令10
ID 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 指令6 指令7 指令8 指令9
EX 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 指令6 指令7 指令8
MEM 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 指令6 指令7
WB 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 指令6
```
b. 每个指令需要经过5个阶段才能完成,时钟周期为100ns,所以每条指令需要500ns才能完成。流水线中有20条指令,所以总共需要的时间为20 * 500ns = 10000ns。因此,流水线的时间吞吐率为1 / (10000ns / 20)= 2,000,000指令/秒。
c. 假设没有流水线时,每条指令需要的时间为1000ns。那么,完成20条指令需要的时间为20 * 1000ns = 20000ns。流水线完成这20条指令需要的时间为10000ns。因此,流水线的加速比为20000ns / 10000ns = 2。流水线可以将执行同样数量的指令的时间缩短到原来的一半。
Verilog设计一个FPGA的指令流水线的DEMO
好的,以下是一个使用Verilog设计的简单FPGA指令流水线DEMO的示例代码,实现了两个8位数的加法操作,供您参考。
```
module pipeline_demo (
input clk, // 时钟信号
input rst, // 复位信号
input [7:0] A, // 第一个加数
input [7:0] B, // 第二个加数
output [7:0] S // 加法结果
);
reg [7:0] r_a; // 存储第一个加数的寄存器
reg [7:0] r_b; // 存储第二个加数的寄存器
reg [7:0] r_s; // 存储加法结果的寄存器
// 取指阶段
reg [1:0] stage; // 流水线阶段标识符
reg [7:0] opcode; // 指令操作码
always @(posedge clk or negedge rst) begin
if (rst == 1'b0) begin
stage <= 2'b00; // 复位时初始阶段为取指令
end else begin
case (stage)
2'b00: begin // 取指令阶段
opcode <= {A[3:0], B[3:0]}; // 取指令
stage <= 2'b01; // 跳转到下一个阶段
end
2'b01: begin // 译码阶段
case (opcode)
2'b00_00: begin // 加法指令
r_a <= A; // 存储第一个加数
r_b <= B; // 存储第二个加数
stage <= 2'b10; // 跳转到下一个阶段
end
default: begin // 其他指令
stage <= 2'b00; // 回到取指令阶段
end
endcase
end
2'b10: begin // 执行阶段
r_s <= r_a + r_b; // 计算加法结果
stage <= 2'b11; // 跳转到下一个阶段
end
2'b11: begin // 访存阶段
stage <= 2'b00; // 回到取指令阶段
end
endcase
end
end
// 写回阶段
assign S = r_s;
endmodule
```
以上代码中,使用了一个2位的寄存器`stage`来表示指令流水线的阶段,以及一个8位的寄存器`opcode`来存储当前指令的操作码。在每个时钟周期中,根据当前阶段的不同,执行对应的操作,并更新`stage`的值以跳转到下一个阶段。
需要注意的是,在执行阶段中,我们使用了`r_a`和`r_b`两个寄存器来存储第一个加数和第二个加数,以避免数据相关问题。在访存阶段中,我们并没有进行任何操作,而是直接回到了取指令阶段,以实现指令流水线的循环执行。
最后,在写回阶段,我们使用assign语句将加法结果`r_s`输出到模块的输出端口`S`上。