自己动手画 CPU《计算机组织与结构实验》（四）
# cpu, 2020-11-13
四、处理器设计实验
前置背景知识
首先介绍数据通路
现代 CPU 多采用 专用通路
- 共享通路(总线型) 主要部件都连接在公共总线上,各部件间通过总线进行数据传输 结构简单，实现容易 ,但并发性较差,需分时使用总线,效率低
- 专用通路 并发度高，性能佳,设计复杂,成本高 可以看作多总线结构
介绍单总线、双总线、三总线数据通路
对指令
ADD R0,R1
(R0)+(R1) -> R0
单总线
双总线
三总线 并发写入
数据通路 与 CPU 结构之间的关系
左下角是互斥的控制信号，因此可见冲突性较大，并发度小
多总线将 ALU 与 取指令 逻辑分开，因此可以并发执行。
单周期 MIPS 要求一条指令需要在一个时钟周期内完成。
| REGISTER | NAME | USAGE |
|---|---|---|
| $0 | $zero | 常量0(constant value 0) |
| $1 | $at | 保留给汇编器(Reserved for assembler) |
| $2-$3 | $v0-$v1 | 函数调用返回值(values for results and expression evaluation) |
| $4-$7 | $a0-$a3 | 函数调用参数(arguments) |
| $8-$15 | $t0-$t7 | 暂时的(或随便用的) |
| $16-$23 | $s0-$s7 | 保存的(或如果用，需要SAVE/RESTORE的)(saved) |
| $24-$25 | $t8-$t9 | 暂时的(或随便用的) |
| $28 | $gp | 全局指针(Global Pointer) |
| $29 | $sp | 堆栈指针(Stack Pointer) |
| $30 | $fp | 帧指针(Frame Pointer) |
| $31 | $ra | 返回地址(return address) |
一、单周期 MIPS CPU设计
实验内容
利用运算器实验，存储系统实验中构建的运算器、寄存器文件、存储系统等部件以及 Logisim 中其它功能部件，构建一个32位 MIPS CPU 单周期处理器。数据通路如下图所示：
1) 立即数寻址（immediate addressing），操作数是位于指令自身中的常数。
2) 寄存器寻址（register addressing），操作数是寄存器。
3) 基址寻址(base addressing)或偏移寻址( displacement addressing），操作数在内存中，其地址是指令中基址寄存器和常数的和。
4) PC相对寻址（PC-relative addressing），地址是PC和指令中常数的和。
5) 伪直接寻址（pseudodirect addressing），跳转地址由指令中26位字段和PC高位相连而成。116硬件/软件接口 虽然我们把MIPS系统结构按32位地址描述，但是几乎所有的微处理器(包括MIPS)都能进行64位地址扩展(见附录E和2.18节)。这些扩展主要是针对大型程序的需要。指令集的扩展使得体系结构发展的同时，保持软件和下一代体系结构的向上兼容性。
要求支持8条 MIPS 核心指令，最终设计实现的 MIPS 处理器能运行实验包中的冒泡排序测试程序 sort.asm，该程序自动在数据存储器0~15号字单元中写入16个数据，然后利用冒泡排序将数据升序排序，要求统计指令条数与 MARS 中的指令统计数目进行对比。
电路框架
| 信号 | 输入/输出 | 位宽 | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| CLK | 输入 | 1 | 时钟信号 |
| PC | 输出 | 32 | 程序寄存器的值 |
| IR | 输出 | 32 | 当前指令字 |
| RegWrite | 输出 | 1 | 寄存器文件写使能控制信号 |
| RDin | 输出 | 32 | 寄存器文件写入端口的数据 |
| MemWrite | 输出 | 1 | 存储器写使能控制信号 |
| MDin | 输出 | 32 | 存储器写入端口的数据| |
完成设计后，加载 sort.hex 程序，测试排序功能。
Mem[PC++] -> IR 即 PC++ 是每次加上一条指令的长度。32 位，因此此处为 PC + 4。
1、首先完成 PC 的 +4。是由于 32 位 MIPS 机中所有指令字长均为 4 字节，每条指令在存储器中占用 4 字节的存储单元。而 PC 中存放的地址是 字节地址（PC为 32 位，即存放一个表明 一个字节 的地址）。
而指令存储器存放的是 字地址。因此要取出低两位。而长度为 10 位（ROM 定下的），因此取 2-11 位。
R型（Register）指的是寄存器型，I型（Immediate）指的是立即数型，J型（Jump）指的是无条件转移型。
现在对于各个指令进行分析
1、R 型
1、add 指令
- 无间址周期
为 R 型指令， 建立过程如下
2、SLT指令
如果R2的值小于R3，那么设置R1的值为1，否则设置R1的值为0 SLT R1,R2,R3
若为 STL， 那么会在 ALU 进行运算，由于 单周期控制器的 MemToReg（写入寄存器的数据来自存储器即 LW 指令特有） 会为 0 ，因此选择 ALU 判断后的结果，写入到 Din，即 R[rd] 中
2、I 型
1、addi 指令
ADDI 把一个寄存器的内容加上一个立即数 ADDI R1,R2,#3
- 无间址周期
为 I 型指令，而立即数为 16 位，因此需要扩展
扩展选择符号扩展
addi $s1, $s2, 100 —-»> $s1 = $s2 + 100
2、LW
从存储器中读取一个字的数据到寄存器中 LW R1, 0(R2)
MIPS 的仿存指令属于 I 型指令，访存地址 等于 变址寄存器 $rs 的值 加上 16 位立即数。
- 基址寻址
而 MemToReg 用于选择是否是从存储器中读出。
3、SW
把一个字的数据从寄存器存储到存储器中 SW R1, 0(R2)
- 基址寻址
实现如图
3、Beq
数据跳转指令，标志寄存器中Z标志位等于零时, 跳转到BEQ后标签处
- PC相对寻址
Q: 此处为何要移位？
A: 立即数中的地址表示是按字来算的，对于按字节编址的存储器来说（1字->4字节）需要乘4 当然如果你的存储器是按字编址就不需要乘4或左移2位了
4、bne
数据跳转指令，标志寄存器中Z标志位不等于零时, 跳转到BNE后标签处
5、Bne
同理，取反就行
3、Syscall
- 无间址周期
由于此处作用为 停机信号，且 单周期布线控制器 专门有一个引脚为 Halt，因此直接调用即可，连接至 PC 的使能信号处。
补充一点，这里的停机是靠位于左上方的计数器，计算周期数。在计数器中设置最大值为224，当周期达到224时即可停机。
电路实现如下
一定要记住！！！！
- 16->32 扩展选择符号扩展
- 将上面的 PC、IR…啥的进行连接，方便检测。
二、单周期硬布线控制器
该实验只涉及 8 条核心的 MIPS 指令。而这 8 条MIPS指令的指令字段已经在附件中给出（关于MIPS指令字段可参考我另一篇关于单总线定长&变长的博客 biubiu传送门 ），并且电路底部文字也给出了关于SYSCALL的提示，因此，这部分只需根据相应的OP和FUNC字段进行简单地逻辑比较就可实现。
电路实现如下
且打开存储器，发现完成排序
MIPS 寄存器文件中 0 号寄存器的值恒零
三、MIPS 微程序 CPU 设计
