自制CPU（三）流水線

經(jīng)過上兩篇文章的閱讀，大家應(yīng)該清楚自己的CPU大致是如何處理數(shù)據(jù)的，而又是如何執(zhí)行指令的。我們現(xiàn)在來在簡(jiǎn)略的說一下流水線CPU的設(shè)計(jì)。（源碼在CSDN下載頁(yè)，請(qǐng)自?。?/span>

流水線CPU的基本數(shù)據(jù)通路和單周期沒有什么太大區(qū)別，而且也是每個(gè)時(shí)鐘周期都有一條指令執(zhí)行結(jié)束。但是他又和多周期CPU一樣一條指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期完成。而同時(shí)使這兩條條件同時(shí)滿足的就是流水線技術(shù)了。先上一張圖

由于在多周期CPU中，比如我們正在第三級(jí)執(zhí)行第五條指令的執(zhí)行操作，對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)通路來講，其它幾級(jí)都是空閑狀態(tài)，那我們?yōu)榱颂岣逤PU的工作效率，就讓他提前后邊指令的其他幾級(jí)操作。這樣一來，我們的CPU就像工廠內(nèi)的流水線一樣，每一級(jí)都在工作，大大提升了他的工作效率。

在設(shè)計(jì)中，流水線CPU甚至?xí)榷嘀芷贑PU更好實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)是一級(jí)一級(jí)向下流，我們都無需進(jìn)行狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來控制，只需要讓數(shù)據(jù)與他的控制信號(hào)同步流向器件。每一個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)都是從上一級(jí)流向下一級(jí)。而對(duì)應(yīng)的寄存器就是在每個(gè)時(shí)鐘上升沿都讀出舊數(shù)據(jù)，寫入新數(shù)據(jù)。

但是在流水線CPU中，分支跳轉(zhuǎn)語句變成了一個(gè)難點(diǎn)，當(dāng)指令發(fā)現(xiàn)是分支跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，輸出branch信號(hào)，后等待ALU輸出比較值是否相等。如果相等，進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。但是跳轉(zhuǎn)時(shí)，我們的流水線已將后三條指令讀入并操作了一部分了。這時(shí)我們便需要清空存儲(chǔ)器?；蛘呶覀円部梢援?dāng)檢測(cè)到branch信號(hào)時(shí)CPU停止讀入指令，直到判斷結(jié)果輸出時(shí)在進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。、

流水線CPU是非常好用的CPU，在我們后續(xù)的程序編寫的時(shí)候基本上都會(huì)使用流水線CPU，偶爾也會(huì)用多周期CPU。