书·纪

4.3 建立数据通路

……一篇篇写是不可能的……看完也是不可能的……
只能隔几节水一水的样子~

数据通路

第一次看到这个词,我会以为它是用来传输数据的,然而他的定义是:

一个用来操作保存处理器中数据的单元。在MIPS实现中,数据通路部件包括指令存储器,数据存储器,寄存器堆,ALU和加法器。

另外,之前在跳转指令中经常看到的程序计数器:

程序计数器(Program Counter)存放下一条将要被执行的指令的地址存储器


这是存取指令需要的两个状态单元,以及计算系一条指令地址所需要的加法器

其中,a)指令存储器是只读的(不考虑装载指令的过程),一个地址对应一条指令,所以把他看作组合逻辑也没有什么问题。任意时刻的输出都反映了输入地址处的内容,而不需要都控制信号;b)程序计数器(PC),实际上是一个32位的寄存器,程序计数器在每个时钟周期末都会被写入,所以不需要写控制信号;c) 加法器,将ALU设定为加法,用来自增PC、计算绝对地址

R型指令

R型指令(算术逻辑指令) add sub AND OR slt
R型指令的格式如下:

op rs tr td shamt funt
6位 5位 5位 5位 5位 6位
  • rs:目的寄存器
  • rt,rd:源寄存器

寄存器堆:包含一系列寄存器的状态单元,可以通过提供寄存器号进行读写

  • 读出(2个)(每个数据字需要寄存器堆有一个输入,一个输出)
    • 数据字1
    • 数据字2
  • 写入(1个)(每个寄存器字需要有两个输入:寄存器号和要写的数据)

综上,寄存器堆一共有4个输入(三个寄存器号和1个数据)和两个输出(两个数据)。

ALUOP:4位ALU操作信号。

可以在同一时钟周期内读出和写入同一寄存器。读操作将读出以前写入的内容;写入的内容在下一周期才可读。

存取指令

MIPS存取指令的一般形式:lw $t1, offset_value($t2)(取数)或sw $t1, offset_value($t2)(存数)
在这类指令中,通过将基址寄存器$t2的内容与指令的16位带符号偏移地址相加,得到存储器地址

还需要一个单元将16位的偏移地址符号扩展(signed-extend)位32位的带符号值,以及一个保存读出或写入数据的存储单元。

符号扩展:为增加数据项的长度,将原有数据项的最好为复制到新数据项多出来的高位。
简单来说,就是增大数字存储的位数(十六位变32位)同时不改变原值的方法
例如这是个8位扩展为16位的例子(二进制表示)
________10101000
1111111110101000

数据存储单元在存储指令时被写入,所以他有读写控制信号地址输入写入存储器的数据输入
虽然数据存储器的读、写控制信号都是独立的,但是任意时钟只能激活其中一个。标准的存储芯片实际上有一个写使能(enable)信号用于写操作。

跳转指令

跳转指令将偏移地址的低26位左移两位,一直代替PC的低28位。
移位通过给偏移量后面加上两个0实现。

beq指令(相等则分支)

beq $t1, $t2, offset,若$t1和$t2的值相等,则跳转到offset
offset是一个16位偏移量。

分支目标地址(branch target address) = PC值 + 符号扩展后的指令偏移量字段

注意:
- 基地址是分支指令的下一条指令的地址(PC + 4)
- 系统结构规定偏移量左移两位以指示字为单位的偏移量(按字节寻址)

当分支条件为真,分支目标地址成为新PC,称为分支发生(branch taken);
否则 自增后的PC取代当前PC,称为分支未发生(branch not taken)。

分支数据通路需要两个步骤:
1. 计算分支目标地址
2. 比较操作数(将ALU设为减,检测结果是否为零(可以检测ALU的零信号))

在实际的MIPS指令集中,分支指令是延迟的,无论分支条件是否满足,她之后的耐滔指令总被执行。条件不满足时,情况不变,条件满足时,延迟的分支指令先执行它下面的的那条指令,然后再跳转到指定的目标地址。
这个是为了照顾流水线而设计的,具体不用考虑。

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本文由 橙叶博客 作者:FrankGreg 发表,转载请注明来源!

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