计算机组成与设计（八）—— 单周期处理器

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，完成完整的数据通路

具体设计步骤

（一）分析指令系统

MIPS的所有指令是非常多的，我们只实现其简化版，包含如下6种：

（二）需求分析

需求分析，需要存放指令地址的32位寄存器（PC），需要存放指令的存储器，可读，数据和指令均为32位（MEM[PC]）。还需要一个寄存器堆，用来保存源操作数和目的操作数，一个ALU进行运算。

（三）选择组件

所以我们需要如下组件：

• 算术逻辑单元（ALU）：操作数为2个32位数，来自寄存器或扩展后的立即数
• 立即数扩展部件：将一个16位立即数扩展为32位，扩展方式包括零扩展和符号扩展
• 程序计数器（Program Counter,PC）：是一个32位寄存器，支持两种加法：加4或加立即数
• 寄存器堆（Register File）：包含32个寄存器，每个32位宽；支持读和写操作
• 存储器：一个是只读的指令寄存器，一个可读写的数据存储器，两者地址和数据都是32位（这两个存储器实际对应CPU中的指令高速缓存和数据高速缓存，虽然冯·诺伊曼结构要求指令和数据不加区分的存储，但在CPU的高速缓存是做区分的）

寄存器堆

内部构成是3个32位寄存器。Ra(5位)：寄存器编号，将该编号寄存器的内容放到busA。Rb(5位)：寄存器编号，将该编号寄存器的内容放到busB。Rw(5位)：寄存器编号，在时钟上升沿，如果写使能信号有效，将busW的内容存入该寄存器。

busA和busB：两组32位的数据输出，busW:一组32位的数据输入

存储器

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的存储单元。

Date In：32位的数据输入信号。Date Out：32位的数据输出信号。

（四）建立数据通路

 建立数据通路，即根据指令的需求连接组件。指令的需求包括所有指令的共同需求、不同指令的不同需求。

所有指令的共同需求

主要包括取指令和更新PC

不同指令的不同需求

加法和减法指令的需求是最简单的

逻辑运算指令有立即数参与，需要增加两个二路选择器，一个选择数据输入来自寄存器还是立即数，另一个选择目的寄存器是rd还是rs

 访存指令需要对立即数进行符号扩展，同时需要一个数据存储器用来读取和写入数据

数据通路初步完成

（五）控制信号的集成

现有指令所需的控制信号

 控制信号哪来的呢？肯定来自指令。我们说opcode和func决定了指定功能，理所当然，控制信号也由它们决定。

opcode和func决定了8个信号

以add指令（add  rd,rs,rt;PC = PC + 4）为例，看需要将哪些信号设为有效，哪些设为无效，哪些任意。如图所示

 用同样的分析方法，我们可以得到其它的指令的信号设置，它们的逻辑表达式如下：

根据数字逻辑的知识，我们很容易求出每个控制信号关于opcode和func的逻辑表达式

例如，求$RegDest$,按行观察

$RegDest = add + sub$

$add = rtype · func5 · ~func4·~func3·~func2·~func1·~func0$

$sub = rtype · func5 · ~func4·~func3·~func2·func1·~func0$

$rtype = ~op5·~op4·~op3·~op2·~op1·~op0$

同理可得到其它表达式的逻辑表达式

 观察发现，这些表达式都是先相与、再相或，所以可用如下的电路来实现

参考链接：https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/lecture/kRJer/506-kong-zhi-xin-hao-de-ji-cheng