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处理器

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简介

影响CPU性能的因素：

  • Instruction count,Determined by ISA and compiler

  • CPI and Cycle time,Determined by CPU hardware

An overview of Implementation

但在实际设计中，如此多的线不能交叉在一起，于是需要用到多路选择器。

Logic Design Convention

指令处理的步骤

  1. 提取：

    • 从指令存储器中获取指令。

      • 解释：从存储指令的内存中读取当前需要执行的指令。

    • 修改程序计数器（PC）以指向下一条指令。

  2. 指令解码与读取操作数：

    • 将指令转化为机器控制命令。
    • 读取寄存器中的操作数，无论是否使用。

  3. 执行控制：

    • 控制对应算术逻辑单元（ALU）操作的实现。

  4. 内存访问：

    • 从内存中读取或写入数据。
      • 解释：执行数据的加载（load）或存储（store）操作。
    • 仅限于加载/存储指令（ld/sd）。

  5. 将结果写入寄存器：

    • 如果是 R 型指令，ALU 的结果写入 rd。
      • 解释：对于 R 型指令，执行 ALU 操作后将结果存储到目标寄存器 rd 中。
    • 如果是 I 型指令，内存数据写入 rd。
      • 解释：对于 I 型指令，将从内存读取的数据存储到目标寄存器 rd 中。

  6. 分支指令修改 PC：

    • 解释：对于分支指令，根据条件判断结果修改程序计数器，以跳转到指定指令地址。

Datapath 与 Cpu_ctrl

不多说，直接上图：

图片描述

下面对图中的一些部分作说明:

  • PC:基地址

  • Instruction Memory:存放了许多指令，根据PC的地址读取相应指令

  • Registers:寄存器处理的中心，负责读取寄存器与向寄存器写入内容的功能

  • ImmGen: 负责将立即数填充为64位

  • ALU:承担了所有的运算操作，例如地址加减，beq里面判断是否等于0，寄存器的值加减等。

  • Data Memory:内存，与ld,sd等指令密切相关。

另外，控制信号的说明如下：

  1. RegWrite:控制是否向Write Register写入数据

  2. ALUSrc :控制选择Read data2还是立即数

  3. ALU operation: 控制ALU进行加法，减法还是set less than什么的

  4. Branch：控制这个Mux的信号，检测到指令是跳转的时候控制选择器选择立即数+PC基址。

  5. jump：jal指令的信号，效果同上

  6. MemRead： 控制Data Memory是否要从Address地方读取出数据

  7. MemWrite: 顾名思义，同上。

  8. MemtoReg: 是一个两位的信号，解释在如下:

下面展开具体分析

Datapath

R型指令

🌰

解析

先看Registers。从\(ins_{15-19}\)读取rs1寄存器的值，从\(ins_{20-24}\)读取rs2的值 ，目标寄存器为rd.控制mux选择Read data2,ALU作相应运算（比如add）后直接绕过内存，Mux选择来自ALU的数据，写入rd中。

I型指令

🌰

解析

图中以ld为例。ld需要从内存读取一个值，存到目标寄存器中。 重复的话不多说，我们拿了一个rs1，一个rd，一个imm，效果就是ld rd,imm(rs1).为了实现这一效果，我们控制第一个Mux 选择扩展后的立即数，与Read data1作加法后作为内存读取的address,读出来的Read data通过多路选择器存回rd。

S型指令

🌰

解析

图中以sd为例。从\(ins_{15-19}\)读取rs1内容，从\(ins_{20-24}\)读取rs2的值，再来一个立即数imm， 最终的效果就是sd rs2,imm(rs1). 其他部分都和ld差不多，除了现在从内存读数据变成向内存存数据了，也不需要再写回寄存器了。

SB型指令

🌰

解析

beq我们也很熟悉，就是branch if equal🐎，那么跳转到哪里呢？在RISC-V中是一个立即数，实际上去的是PC基址加上立即数的地方。知道了这个 ，我们再来看图。先取两个寄存器作比较，如果满足条件，那么ALU的zero传给上面的MUX一个信号：这MUX能取PC基址加拓展立即数吗我请问了。 如果不行那就选择PC+4，也就是下一条指令的地址。不管怎样，PC来到了一个新的地址。

J-Jal

🌰

解析

Jal其实值得关注的也就是一条从PC，到ADD(PC,4)，再经过MUX到Registers的地方。这是什么呢？😲！这不就是jal x1,100里面把下一条指令的地址 放到x1地方吗？至于其他,基本上和SB型指令一样了。

Cpu_ctrl

这便是各种情况下每个控制信号的情况。可以发现，除了ALU，其他所有信号在指令类型（可以通过opcode判断）确定时就确定了。ALU由于在R型指令时可能 执行多种操作，所以不确定。这个时候前人设计出了二级译码器。

Main Decoder

Main Decoder其实很简单，根据opcode把能赋值的先赋值了。

ALU Decoder

根据标红的那几位就可以判断出ALU运算的种类。

Code
cpu_ctrl
等实验做完再放

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