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1、计算机组织与系统结构计算机组织与系统结构设计单周期控制DesigningSingleCycleControl（第十一讲）程旭2004.11.16北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心如何设计处理器:循序渐进1.分析指令系统=>数据通路需求通过寄存器传输描述每条指令的意图针对ISA寄存器，数据通路必须具备必要的存储元件可能需要多个数据通路必须支持每种寄存器传输2.选择一组数据通路部件，建立时钟同步方法3.根据需求，组装数据通路4.分析每条指令的实现，以确定如何设置影响寄存器传输的控制点5.装配控制逻辑北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心MIPS指令格式°所有的
2、MIPS指令都是32位长。具有如下三种格式：312621161160•R型oprsrtrdshamtfunct6bits5bits5bits5bits5bits6bits312621160•I型oprsrtimmediate6bits5bits5bits16bits•J型31260optargetaddress6bits26bits°不同的场位为:•op:指令的操作•rs,rt,rd:源和目的寄存器描述符•shamt:移位量•funct:选择Op场位指定的不同操作•address/immediate:地址偏移量或者立即数数值•targetaddress:跳转指令的目标地址北京大学计算机科
3、学技术系北京大学微处理器研究开发中心本讲涉及的MIPS指令系统子集312621161160°加法和减法oprsrtrdshamtfunct•addrd,rs,rt6bits5bits5bits5bits5bits6bits•subrd,rs,rt312621160°或立即数:oprsrtimmediate•orirt,rs,imm166bits5bits5bits16bits°装入和存储•lwrt,rs,imm16•swrt,rs,imm16°转移:•beqrs,rt,imm1631260°跳转:optargetaddress•jtarget6bits26bits北京大学计算机科学技术系
4、北京大学微处理器研究开发中心综上所述:单周期数据通路（包括Jump指令）°除了控制信号，我们已经学会了单周期数据通路的设计nPC_sel指令<31:0>转移<21:25><16:20><11:15><0:15>跳转取指部件RdRtRegDstClk1Mux0RsRtALUctrRtRsRdImm16RegWr555busA零MemWrMemtoRegRwRaRbbusWALU3232×32位032寄存器堆busB032MuxClkMux3232扩展器WrEnAdr11DataIn32imm1632数据存储器16ClkALUSrcExtOp北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中
5、心教学目标:已经掌握的内容°计算机的五个基本部件处理器输入控制存储器数据通路输出°本讲主题:为单周期数据通路设计控制北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心本讲提纲°复习和介绍°寄存器-寄存器&或立即数指令的控制°装入、存储、转移和跳转的控制信号°建造一个局部控制器:ALU控制°主控制器°总结北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心寄存器传输语言：加法指令312621161160oprsrtrdshamtfunct6bits5bits5bits5bits5bits6bits°addrd,rs,rt•mem[PC]从存储器中读取指令•R[rd]⇐R[rs]+R[rt
6、]实际操作•PC⇐PC+4计算下一条指令地址北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心Add开始时的取指部件°从指令存储器中取出指令：指令⇐mem[PC]•这一部分，对于所有指令都相同！指令<31:0>指令存储器指令地址nPC_sel(+4,Bra,Jmp)4Adder3200MuxbusWPCAdderPCExt16ClkImm1632北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心在加法/减法开始时的取指部件°从指令存储器中取出指令:指令⇐mem[PC]•每个指令的取指过程的这一部分都相同30Addr<31:2>PC<31:28>30Addr<1:0>0040指令存储器
7、目标指令<25:0>30MUX26PCALU132300MUX30ALU11跳转=旧值指令<31:0>Clk符号扩展30imm163016指令<15:0>转移=旧值零=旧值北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心在加法和减法过程中的单周期数据通路312621161160oprsrtrdshamtfunct6bits5bits5bits5bits5bits6bits°R[rd]⇐R[rs]+/-R[rt]指令<31:0>B
