6.4 访存指令的控制信号

Posted 2021-01-09 doctorx

计算机组成

6 单周期处理器

6.4 访存指令的控制信号

对于MIPS这样的指令系统来说，其运算指令是不能直接访问存储器的，因此，我们还需要设计单独的访存指令，用来完成寄存器和存储器之间的数据传输。在这一节，我们就来看一看这一类访存指令是如何生成控制信号的。

对于我们要实现的这个处理器，访存指令都是属于 I 型指令，一条是load，一条是store。我们分别来进行分析。

对于load指令。首先，当然也是取指；然后根据运算出的地址，访问数据存储器，并将读出的内容写入到 rt 指定的寄存器中；最后，是更新PC寄存器。 那第一步和第三步，与运算指令都是一样的。在这里我们就只讲解第二步相关的操作。

这是我们的数据通路，如果当前IFU 取回的是一条load指令，那这些控制信号将会如何设置呢？ 首先，下一条指令的地址应该还是采用PC+4的方式。然后我们来看寄存器堆这一边，rs 和 rt 都是固定连接到了指令编码的对应位域，因此，busA 和 busB 这两组信号上，分别是由rs和rt所指定的寄存器的内容。

但我们要注意，对于这条指令，我们想要运算的是rs寄存器中的内容和立即数的符号扩展进行加法。因此，对于ALU的第二个操作数的来源，我们应该通过这个多选器（ALUSrc），选择通道1，并且设置扩展部件为符号扩展的功能（ExtOp=“sign”）。这样，指令位域中的16位立即数就会经过符号扩展，最终连接到了ALU的第二个输入端，而我们发送到ALU的控制信号，则是要设置为加法运算（ALUCtr=“ADD”）。 这样，ALU就会完成了访存地址的运算，并将地址信号送到数据存储器的地址输入端（Adr）。同时我们也要注意，busB上的信号也会被连接到数据存储器（Data Memory）的数据输入端（Data In），虽然我们并不需要它，但是这根信号仍然会把 rt 所指定的寄存器的内容送过来。 所以我们需要设置数据存储器的写使能信号（MemWr）把它设为0，保证了数据存储器的内容不会发生改变。 然后我们来看最后这个多选器，这个多选器的两个输入，一个是ALU的运算结果，就是访存的地址；另一个是从数据存储器当中，读出的数据。 那么对于这条指令，我们显然希望把后者送到寄存器堆当中去。因此，对于这个多选器来说，我们需要设置它的选择信号为1（MemtoReg=1）， 这样我们就可以把数据存储器的输出传送到寄存器堆的数据输入端（busW），
而且因为我们要写入 rt 所指定的寄存器，所以，我们需要设置寄存器堆的写使能信号为有效（RegWr=1），并把写入寄存器编号的来源设置为rt（RegDst=0）。

这样，在下一个时钟上升沿到来的时候，数据存储器输出的内容就会被写入到rt所指定的寄存器当中去了，而且在同样的这个时钟上升沿，PC寄存器的内容也会被更新为PC+4，这就是load指令所完成的操作。

然后我们来看store指令，store指令也分为三步，同样，我们也只看其中的第二步。

对于store指令，我们也需要将rs寄存器中的内容和立即数 的符号扩展进行加法运算，并以此作为地址访问数据存储器， 不过不是读出，而是写入。因此，对应到数据通路上，我们就直接标出了对于store指令，有效的这些信号。 那这些控制信号又该如何设置呢？ 那你不妨自己想一想，然后我们一起快速地浏览一遍。 对于IFU，我们要选择下一条指令的地址， 仍然是PC+4（nPC_sel="+4"），我们要选择ALU的数据的输入，现在我们选的是立即数的符号扩展（ExtOp=“sign”; ALUSrc=1）， 而对于ALU，我们依然要选择加法的运算类型（ALUCtr=“ADD”）。ALU的运算结果，依然是一个地址，会被送到数据存储器上。但是与之前不同的是，这条指令要完成向数据存储器的写操作。所以，在这里我们会把数据存储器的写使能信号置为有效（MemWr=1）。 这样，在下一个时钟的上升沿，数据存储器就会采样其数据输入端（Data In）的信号，但这个输入端的信号又是什么呢？我们可以看一看，实际上它连到了busB，而 busB是由rt这个信号所指定的寄存器中的内容。 因此，在下一个时钟上升沿到来的时候，数据存储器会根据ALU算出来的地址（Adr），选中对应的存储单元，并采样这个来自rt寄存器当中的内容，将它存到对应的存储单元中去。 对于store指令来说，它就完成了它所需要做的主体的操作，但是对于这个数据通路，我们必须要把剩下的控制信号都设置完整。

我们来看后面这个多选器，因为对store指令，我们不需要改写寄存器堆的内容， 所以无论选择哪个通路，都是没有意义的。 在这里，我们就设置这个控制信号，可以是0，也可以是1，就用x来进行标记（MemtoReg=x）。 那这样，这个多选器总会选出一组信号，最终送到寄存器堆的数据输入端。不过没有关系，我们只需要设置寄存器堆的写使能信号为无效（RegWr=0），在时钟上升沿到来的时候，寄存器堆的内容就不会发生改变。也正因为如此，这个要写入的寄存器编号，无论设成rb还是rt（RegDst=x）也都是可以的。

这就是对于store指令的控制信号的设置方法。

现在，我们已经掌握了访存指令是如何生成控制信号的，再加上之前的运算指令，我们就可以编写程序，让计算机完成相应的任务了。不过，如果我们想编写出功能更为强大的程序，那只有运算指令和访存指令是不够的，我们还需要改变程序流向的分支指令。这一点，我们在下一节继续分析。