501 - 单周期处理器的设计步骤

单周期处理器的设计步骤

① 分析指令系统，得出对数据通路的需求
② 为数据通路选择合适的组件
③ 连接组件建立数据通路
④ 分析每条指令的实现，以确定控制信号
⑤ 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——无立即数参与，属于R型指令

• addu rd,rs,rt
• subu rd,rs,rt

立即数的逻辑或（OR） ——有立即数参与，属于I型指令

• ori rt,rs,imm16

装载（Load）和存储（Store）一个字（32位）

• lw rt,imm16(rs)
• sw rt,imm16(rs)

条件分支（Beq）

• beq rs,rt,imm16

指令的含义

• 指令位域的分解

  
  image.png

• 指令的操作

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其中，对于零扩展和符号扩展，就是在高位上补零或者符号。

指令系统的需求

1. 算术逻辑单元（ALU）

   
   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

2. 立即数扩展部件

   
   ImExtender

• 将一个16立即数扩展为32位数
• 扩展方式：零扩展、符号扩展

3. 程序计数器（PC）

   
   ProgramCounter

• 一个32位的寄存器
• 支持两种加法：加4 或 加一个立即数

4. 寄存器堆

• 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
  注：这称为“两读一写”的寄存器堆

5. 存储器

• 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
  注：这两个存储器实际对应了CPU中的指令和数据高速缓存（Cache）

存储组件：寄存器堆

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1. 内部构成

• 32个32位的寄存器

数据接口信号

• busA，busB：两组32位的数据输出；
• busW：一组32位的数据输入。

2. 读写控制

• Ra(5位)：选中对应编号的寄存器，将其内容放到busA
• Rb(5位)：选中对应编号的寄存器，将其内容放到busB
• Rw(5位)：选中对应编号的寄存器，在时钟信号（clk）的上升沿，如果写使能信号有效（WriteEnable==1），将busW的内容存入该寄存器
  注：寄存器堆的读操作不受时钟控制

存储组件：存储器

数据接口信号

• Data In：32位的数据输入信号
• Data Out：32位的数据输出信号

读写控制

• Address：32位的地址信号。该信号指定一个存储单元，将其内容送到数据输出信号
• Write Enable：写使能信号。在时钟信号（clk）的上升沿，如果写使能信号有效（为1），将数据输入信号的内容存入地址信号指定存储单元
  注：存储器的读操作不受时钟控制