10. 处理器的设计步骤

Posted 2023-03-28

参考技术A <1> 分析指令系统，得出对数据通路的要求。所谓数据通路，就是指令所要操作的数据，需要通过怎样的电路结构。

<2> 为数据通路选择合适的组件，例如加法器、寄存器等

<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

我们为了学习的目的，只考虑以下几个MIPS指令，

addu rd,rs,rt

subu rd,rs,rt

ori rt,rs,imm16

lw rt,imm16(rs)

sw rt,imm16(rs)

beq rs,rt,imm16

对于R型指令，

对于I型指令，

因此，我们需要一个支持可读的指令存储器，不需要写入功能，只读就行，输入给指令存储器一个32-bit的地址，就能输出对应地址的32-bit指令。因此还需要一个32-bit寄存器，存储这个指令的地址，即程序计数器PC。

分析addu和subu指令的操作，执行这两条指令需要，

<1> 一组存放数据的32-bit通用寄存器，在MIPS中一共有32个这样的寄存器，称为寄存器堆

<2> 可以同时读取两个寄存器的内容，rs和rt

<3> 可以改写一个寄存器的内容，rd或rt(rt是因为ori指令的结果会改写rt寄存器的值)

<4> 将16-bit立即数扩展为32-bit，扩展方式为零扩展

<5> 提供加、减、逻辑或这三种功能的运算器

<6> 运算的操作数可以是寄存器，也可以是扩展后的立即数

<7> 一个存放数据的存储器，可读可写，地址和数据都是32-bit

<8> 对16-bit立即数进行扩展，扩展方式为符号扩展

<9> 比较两个数，判断是否相等

<10> PC寄存器支持两种自增方式，加4或加一个立即数

<1> 算术逻辑单元ALU，支持加、减、或、比较相等，操作数是2个32-bit的数，可以来自寄存器，也可以是扩展后的立即数

<2> 立即数扩展部件，16-bit扩展为32-bit，可以是零扩展或符号扩展

<3> 程序计数器PC，32-bit寄存器，支持两种加法，加4或加立即数

<4> 寄存器堆，32个32-bit寄存器，支持读操作，可以同时读2个寄存器rs和rt，支持写寄存就，1次可以写1个rt或rd，俗称两读一写的寄存器堆

<5> 两个存储器，一个是只读的指令存储器，地址和数据都是32-bit，一个是数据存储器，可读可写，地址和数据也都是32-bit。注意这两个存储器对应CPU内部的指令和数据Cache。

<1> busA, busB: 两组32-bit的数据输出

<2> busW: 32-bit数据输入

寄存器的读写控制：

<1> Ra(5-bit): 选中对应编号的寄存器，将其内容放在busA上

<2> Rb(5-bit): 选中对应编号的寄存器，将其内容放在busB上

<3> Rw(5-bit): 选中对应编号的寄存器，在时钟信号上升沿到来时，如果写使能WriteEnable信号为高电平，即写使能有效，就把busW的内容写入寄存器。

<4> 注意：读寄存器是不受时钟信号控制的，只要有Ra或Rb，其内容就会出现在busA和busB上

存储器功能和寄存器堆的功能类似，可以理解为一读一写。