第五讲 单周期处理器（Single Cycle Processor）

内容要点：控制器，数据通路

处理器的实际步骤

• 分析指令系统，得出对数据通路的需求
• 为数据通路选择合适的组件
• 连接组件建立数据通路
• 分析每条指令的实现，以确定控制信号
• 集成控制信号，形成完整的控制逻辑

MIPS指令系统的简化版本

• 无符号加法和减法（R指令）

  • addu rd, rs, rt

    1. MEM[PC]：从指令存储器中取回指令

    2. R[rd] = R[rs] + R[rt]：指令指定的操作

    3. PC = PC + 4：计算下一条指令的地址

  • subu rd, rs, rt

• 立即数的逻辑或（I指令）

  • ori rt, rs, imm16

    1. MEM[PC]：从指令存储器中取回指令

    2. R[rt] = R[rs] | ZeroExt [imm16]：指令指定的操作

    3. PC = PC + 4：计算下一条指令的地址

• 装载和存储一个字（32位/4Byte）（I指令）

  • lw rt, imm16(rs)
    1. MEM[PC]：从指令存储器中取回指令
    2. R[rt] = DataMemory{R[rs] + SignExt[imm16]}：指令指定的操作
    3. PC = PC + 4：计算下一条指令的地址
  • sw rt, imm16(rs)
    1. MEM[PC]：从指令存储器中取回指令
    2. DataMemory{R[rs] + SignExt[imm16]} = R[rt] ：指令指定的操作
    3. PC = PC + 4：计算下一条指令的地址

• 条件分支

  • beq rs, rt, imm16

    1. MEM[PC]

    2. if (R[rs] - R[rt] == o) //从指令存储器中取回指令，判断转移条件是否成立

       then zero = 1； else zero = 0 //zeroSignal传入IFU）

    3. then：PC = PC + 4 + SignExt[imm16] * 4; // label (imm16)的实际数值是转移目标地址和下一条指令地址之间的差值，此差值以4Byte（32bits）为一个单位

       else：PC = PC + 4；//计算下一条指令地址

指令系统的需求

• 算术逻辑单元（ALU）

  • 运算类型：加、减、或、比较相等
  • 操作数：2个32位的数，来自寄存器或扩展后的立即数

• 立即数扩展部件

  • 讲一个16立即数扩展为32位数
  • 扩展方式：零扩展、符号扩展

• 程序计数器（PC）

  • 一个32位的寄存器
  • 支持两种加法：加4或者加一个立即数

• 寄存器堆（两读一写）

  • 每个寄存器为32位宽，共32个
  • 支持读操作：rs和rt
  • 支持写操作：rt或rd

• 存储器（对应了CPU中的指令和数据高速缓存（Cache））

  • 一个只读的指令存储器，地址和数据均为32位
  • 一个可读写的数据存储器，地址和数据均为32位

• 建立数据通路

  • 基本原则：根据指令需求，连接组件，建立数据通路
  • 指令的需求
    1. 所有指令的共同需求
       • 取指令：
         • 程序计数器（PC）的内容是指令的地址
         • 用PC的内容作为地址，访问指令存储器获得指令编码
       • 更新程序计数器（PC）
         • 顺序执行：PC <- PC + 4
         • 发生分支时：PC <- 分支目标地址
    2. 不同指令的不同需求

控制信号的集成

MIPS简化版指令所需的控制信号.png

add指令.png

控制逻辑.png