本文最后更新于：6 个月前

计算机组成与实践 -数据通路（Datapath）

一.指令执行概述

处理器：指令执行

MIPS的核心指令：

数据传输指令：lw、sw
算术与逻辑运算指令： add、addu、addi、addiu、sub、subu、and、andi、or、ori、xor、xori、nor、slt、slti、sltu、sltiu
决策指令：beq、j

指令执行：

PC ->取指令（更新PC）
指令译码，读取寄存器
执行指令

指令实现的抽象图

核心指令子集实现的抽象视图，描述了主要功能单元及其连接

单时钟周期实现
哈佛模型：指令存储和数据存储分开

指令实现

逻辑设计的一般方法

二进制表示信息
- 低电压=0；高电压=1
- 1bit一条线路
- 多个bit的数据编码为多条线路
组合单元（Combinational Element）
- 处理数据值的单元
- 输出只与输入相关，输入相同则输出也相同
状态单元（State Element 或者 Sequential Element）
- 存储信息
- 时钟信号

组合单元

AND-gate

Y = A & B

and

Adder

Y = A + B

adder

Multiplexer

Y = S ? I1 : I0

mult

Arithmetic/Logic Unit

Y = F(A, B)

arith

时序单元（ Sequential Element ）

寄存器：能够存储数据的电路
- 时钟信号决定何时更新存储的值
- 边缘触发：只允许在时钟跳变的边沿时改变存储的值

寄存器时序

带写信号的寄存器
- 当写信号有效时，才会在时钟边沿时更新存储的值
- 当存储的值稍后使用时

write的寄存器

时钟方法（Clocking Methodology）

组合单元在时钟周期内对数据进行处理

时钟边沿之间进行
输入来自状态单元，输出给状态单元
最长的延迟决定时钟周期时间

时钟循环

简化版

二.取指令实现

建立取指令数据通路

数据通路（Datapath）

处理或保存处理器中数据的单元
- 数据通路部件：寄存器、ALU、多选器、存储器等
取指令的数据通路:PC寄存器、指令存储器（instruction memory）、加法器

取指令

读PC值，获得指令的地址

读指令存储器，获得指令

更新PC=PC+4，与读指令同时完成

三.R型指令实现

R型指令：add、sub、slt、and、or

对寄存器rs和rt中的值进行运算（op和funct）
将结果写回到寄存器rd
使用写控制信号RegWrite

Rxin

R型指令：读寄存器

根据rs和rt指令域获得寄存器地址（编号）

对所有类型的指令，寄存器的读端口处于激活状态

读寄存器

R型指令：ALU运算

ALU根据控制信号（ALU operation）进行运算

alu

R型指令：写回

将ALU result写回寄存器

rd是目标寄存器地址（编号）

写控制信号RegWrite有效

思考slt指令

要把0（或1）写回到$t0，0（或1）从哪里获得？

slt $t0, $s0, $s1 #如果$s0<$s1,则$t0=1； #否则$t0=0

四.数据传输指令实现

数据传输指令：lw和sw

通过基址寄存器（rs）的值加指令中16 bits的常数，计算存储器地址
- 基址寄存器的值通过读寄存器获得
- 16 bits的常数经符号扩展单元，有符号扩展成32 bits的常数
lw指令：获得存储器地址后访问数据存储器，将值写回到目标寄存器（rt）
sw指令：读取寄存器rt中的值，根据获得的存储器地址将该值存入数据存储器

使用写控制信号MemWrite和读控制信号MemRead控制数据存储器的写入和读出