# Ch.4-2 Multi-Cycle Processor ###### tags: `Computer Organization`, `計算機組織` ## What’s Wrong with Single-Cycle? single-cycle processor最大的缺點在於：即便每個指令的datapath不同，造成執行時間不同，大家還是都需要等待至一個固定時間結束才可以進行下一步。如此則效率不彰，且這些時間的浪費在single-cycle中是無法被避免的。 ## Multicycle Implementation ``` 目的：減少時間的浪費 ``` ``` 方法：根據不同指令要用到的不同元件，把datapath切開，不要一定要同一個datapath 　　　這樣才可以令不需要用到某些元件的指令"真正"不去使用，進而達到"減少浪費時間"的目的 ``` ![](https://i.imgur.com/7nz5k2y.png) :::danger 注意： 　　　因為把原本在一個cycle要完成的事情分開 　　　所以要多加storage element（紅框）儲存中間結果，才不會意外被改導致錯誤 　　　storage element可以用latch或flip-flop ::: :::info 概念：把比較耗費時間的部分切開成一個獨立的部分 如下圖1這樣切，大致有五個步驟－－ 1. (IF)instruction fetch：讀取instruction memory 2. (ID/RF)instruction decode and register fetch：產生control signal跟讀取暫存器中的值 3. (EXE)Execution：純ALU運算；記憶體位址計算（經過sign extension & shift & ALU）；branch與否（看ALU的zero bit） 4. (MEM)memory access or R-format時 rewrite the result of ALU to register 5. (Write back, WB)load時 memory read and rewrite the result of ALU to register 每個指令的根據運作過程的不同，最短可用3 cycle，最長用到5 cycle ::: :::info 下圖2是一張表格，表示不同指令所需要的cycle 1. R-format：４ 2. load/store：５／４ 3. branch/jump：３ ::: ![](https://i.imgur.com/ad1ymH8.png) ``` 這裡分割出5個execution steps 將會在pipeline(4-3)中被大量用到 （這張表格可以用有限狀態機表示） ``` ![](https://i.imgur.com/hb5dNlm.png) ``` 經過設計，下圖即為最終multi-cycle processor版本 （並未詳述） ``` ![](https://i.imgur.com/uQlhREv.png)