【计算机组成原理】CPU:单周期数据通路（MIPS)

原创凡古一往凡古一往

图|网络/教材

文|凡古一往

· 寄存器传送语言RTL

1）R(r)表示寄存器r的内容

2）M（address）表示主存储器地址address的内容

3）传输方向“←”表示，从右向左传输

4）程序计数器PC的内容直接用PC表示

· 输出信号改变时机

1）setup建立时间：触发时钟边缘之前保持稳定一段时间

2）hold保持时间：触发时钟边缘之后保持稳定一段时间

3）clk-2-Q time锁存延迟：触发时钟边缘之后不能立即变化，有一点点延迟

即：输入的信号（1或0）在输入之前（下跳沿到达之前）要稳住自己，不能出差错，在到达下调沿时输入信号不会立刻影响输出，而是经历一点点延迟（clk2Q）输出才改变，而与此同时输入信号会保持更长一段时间。

· 寄存器组解读

1）ReadinA\RB两个读入接口，符合组合逻辑，输入5-bit寄存器编号，选择32个寄存器之一的内容，耗费一小段时间（取数时间AccessTime），从BusA\busB输出（2^5=32）。

2）busWrite是写入接口，是时序逻辑，在（WriteEnable=1）&&（时钟下降沿到达）的情况下经过延迟（CLK2Q）将busW的值写入RW读入接口指定的寄存器中；WE=0时即使下降沿到来也不会写入。

内部结构图

3）理想数据存储器

① add指令（R-type）

指令：add rd，rs，rt

RTL:
1)M[PC];
2)R[rd]←R[rs]+R[rt];
3)PC ← PC + 4

设计思路：不考虑1)3)两个公共操作:
（1）Rs、Rt表示两个源寄存器编号，故与RA、RB相连，读取这两个寄存器的值，分别由busA、busB送入ALU计算，由func控制ALUctr进行add操作；

（2）结果送入busW写入RW指定的寄存器，故RW连接Rd，只有当结果不溢出且RegWr=1的情况下才将结果写入，结果溢出（OF=1）则送出到溢出处理通路。

花费时间：PC的CLK2Q时间+指令存储器取指令时间+寄存器组取数时间+ALU延迟+寄存器建立时间+时钟偏移

ALUctr=add,RegWr=1

② ori指令（I-type）

指令：ori rt，rs，imm16

RTL:

1)M[PC];

2)R[rt] ← R[rs] or ZeroExt(imm16);

3)PC ← PC + 4

设计思路：不考虑1）3）两个公共操作:

(1)因为目的寄存器是rt，跟R-type的rd不一样，所以得在RW装个多路选择器，用RegDst控制是用哪个做目的寄存器（R-type用0，I-type用1）；

(2)由于要进行立即数零扩展（32位才能送入ALU），添加一个扩展器，用ExtOp=1控制进行符号扩展，ExtOp=0控制进行零扩展；

(3)由于R-type是两个寄存器数运算，I-type有一个来自立即数，所以要在ALU一个输入接口装一个多路选择器，用ALUSrc=0控制寄存器输入，ALUSrc=1控制立即数输入。

时间：PC的CLK2Q时间+指令存储器取数时间+寄存器组取数时间+ALU延迟+写寄存器的建立时间+时钟偏移

ALUctr=or,RegWr=1,RegDst=1,ExtOp=0,ALUSrc=1

③lw、sw指令（I-type）

指令：lw：lw rt,rs,imm16；sw：sw rt, rs,imm16

RTL:
1)M[PC];
2)Addr←R[rs]+SignExt(imm16);
3)lw:R[rt]←M[Addr];sw:M[Addr]←R[rt];
4)PC ← PC + 4)

设计思路：不考虑1）4）两个公共操作:
(1)因为写入目的寄存器的数据来源不是ALU结果，而是存储器的输出，所以要在busW加一个多路选择器，用MemtoReg=0控制ALU结果写入，MemtoReg=1控制存储器读出数据写入；

(2)因为要从数据存储器取数，所以添加了一个数据存储器部件，存储器的取数地址由ALU计算R[rs]+SignExt(imm16）得到，所以ALU结果连接Adr端，图中busB输出端连接DataIn将数据写入实现的是指令sw的功能，注意该写入是时序逻辑。

花费时间：
lw：PC的CLK2Q时间+指令存储器取数时间+寄存器组取数时间+ALU延迟+数据存储器取数时间+写寄存器的建立时间+时钟偏移
sw：PC的CLK2Q时间+指令存储器取数时间+寄存器组取数时间+ALU延迟+写存储器的建立时间+时钟偏移

ALUctr=addu,RegWr=1,RegDst=1,ExtOp=1,ALUSrc=1,

MemWr=1,MemtoReg=1

④beq指令（I-type）

指令：beq rs,rt,imm16

RTL:

1)M[PC];

2)Cond ←R[rs]-R[rt];

3)if (Cond = 0) {PC ← PC + 4 + (SignExt(imm16) x 4)} else{PC ← PC + 4}

设计思路：不考虑1）4）两个公共操作:

(1)因为PC下地址产生不同，所以增加了下地址逻辑，输出下一条指令地址，用Branch=1使用分支功能，Branch=0不使用;

(2)Zero为R[rs]-R[rt]的零标志，在Branch=1启用分支功能时，Zero=0表示两个源寄存器内容相等，应该走PC ← PC + 4 + ( SignExt(imm16)x4)这一路，反之走普通的PC←PC + 4，Branch=0时不用考虑Zero的值，因为没有启用分支。注意这里的立即数是相对偏移指令数，前面的立即数是相对偏移存储单元数。

时间：PC的CLK2Q时间+指令存储器取数时间+寄存器组取数时间+ALU延迟+寄存器建立时间（写入PC）+时钟偏移

ALUctr=subu,RegWr=0,RegDst=1/0,ExtOp=1/0，MemWr=0,MemtoReg=1/0,ALUSrc=1,Branch=1