单周期处理器的设计步骤
① 分析指令系统，得出对数据通路的需求
② 为数据通路选择合适的组件
③ 连接组件建立数据通路
④ 分析每条指令的实现，以确定控制信号
⑤ 集成控制信号，形成完整的控制逻辑
MIPS指令系统的简化版本
无符号加法和减法——无立即数参与，属于R型指令
addu rd,rs,rtsubu rd,rs,rt
立即数的逻辑或（OR） ——有立即数参与，属于I型指令
ori rt,rs,imm16
装载（Load）和存储（Store）一个字（32位）
lw rt,imm16(rs)sw rt,imm16(rs)
条件分支（Beq）
beq rs,rt,imm16
指令的含义
-
指令位域的分解
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- 指令的操作
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其中，对于零扩展和符号扩展，就是在高位上补零或者符号。
指令系统的需求
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算术逻辑单元（ALU）
ALU
- 运算类型：加、减、或、比较相等
- 操作数：2个32位的数，来自寄存器 或 扩展后的立即数
-
立即数扩展部件
ImExtender
- 将一个16立即数扩展为32位数
- 扩展方式：零扩展、符号扩展
-
程序计数器（PC）
ProgramCounter
- 一个32位的寄存器
- 支持两种加法：加4 或 加一个立即数
- 寄存器堆
- 每个寄存器为32位宽，共32个
- 支持读操作：rs 和 rt
- 支持写操作：rt 或 rd
注：这称为“两读一写”的寄存器堆
- 存储器
- 一个只读的指令存储器，地址和数据均为32位
- 一个可读写的数据存储器，地址和数据均为32位
注：这两个存储器实际对应了CPU中的指令和数据高速缓存（Cache）
存储组件：寄存器堆
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- 内部构成
- 32个32位的寄存器
数据接口信号
- busA，busB：两组32位的数据输出；
- busW：一组32位的数据输入。
- 读写控制
- Ra(5位)：选中对应编号的寄存器，将其内容放到busA
- Rb(5位)：选中对应编号的寄存器，将其内容放到busB
- Rw(5位)：选中对应编号的寄存器，在时钟信号（clk）的上升沿，如果写使能信号有效（WriteEnable==1），将busW的内容存入该寄存器
注：寄存器堆的读操作不受时钟控制
存储组件：存储器
数据接口信号
- Data In：32位的数据输入信号
- Data Out：32位的数据输出信号
读写控制
- Address：32位的地址信号。该信号指定一个存储单元，将其内容送到数据输出信号
- Write Enable：写使能信号。在时钟信号（clk）的上升沿，如果写使能信号有效（为1），将数据输入信号的内容存入地址信号指定存储单元
注：存储器的读操作不受时钟控制
