暑期实训CPU设计（三）

今天先详细的描述一下MIPS的20条指令，各控制信号，验证自己做的数据通路图

1.取值功能的数据通路

首先PC寄存器输出的32位地址码，要作为指令存储器的地址码输入，如果考虑PC+4，还需要从PC的输出端连接到加法器的输入端，另一端是常数4，加法器的运算结果是PC+4，PC+4会更新PC，所以它会和PC输入端连接。

2.R型运算指令 （5条 add sub and or xor ）

操作码op全为0，需要靠功能说明字段func确定操作类型

例如：add rd,rs,rt           #R[rd]->R[rs]+R[rt]

操作码和功能说明字段输入到控制单元，控制单元产生控制信号，在读取寄存器堆的时候需要有两个寄存器的编号rs rt，rs rt分别连接到寄存器堆的两个地址输入端口，根据两个地址就可以读出两个数据，这两个数据要送到ALU做加法运算，ALU运算得到一个结果，运算的结果要写回寄存器堆，目标地址来源于rd，rd连接到寄存器堆的地址写入端口，要写入的话还需要控制单元产生一个高电位的写使能信号，然后在时钟信号的驱动下，数据才能真正写入寄存器堆。ALU的输出端连接到寄存器堆的数据输入端WD。Alu做运算还需要控制单元产生一个控制信号aluc连接到ALU的控制端口。

3.R型移位指令（3条 左移，逻辑右移，算数右移）

例如：rd <- rt << sa

操作码和功能说明字段输入到控制单元，控制单元产生控制信号，说明是逻辑右移还是算数右移，sa，rt这两个数据要送到ALU做移位运算，后面结果写入寄存器堆同上（下划线）。

4.I型运算指令（4条 addi andi ori xori ）

例如：addi rt,rs,imm  #R[rt]<-R[rs]+E(imm)

I型运算指令涉及到把16位立即数扩展为32位的操作，需要扩展器（只有addi是符号扩展，其他是零扩展，加的话涉及溢出所以符号扩展，其他则不会溢出。符号扩展负数高16位全部为1，正数全部为0，）。指令当中的立即数经过扩展输入到ALU的B端口，rs输入到寄存器堆的地址输入端口，读出数据后，连接到ALU的A端口，两者做运算，后面结果写入寄存器堆同上（下划线）。注意，数据在写入到寄存器堆的时候，目标地址是rt。

 

 

5.I型访存指令（2条）

lw rt，imm(rs)          #R[rt]<-Mem[R[rs]+E(imm)]   访问：从数据存储器中读数据

需要增加一个数据存储器，存储器需要读模式和写模式的控制信号。指令当中的立即数经过扩展输入到ALU的B端口，rs输入到寄存器堆的地址输入端口，读出数据后，连接到ALU的A端口，两者做加法运算，得到一个目标地址，需要根据目标地址访问数据存储器，所以Alu的输出要和数据存储器的地址输入端口连接。数据存储器RD端口输出一个数据，写回Rt寄存器。数据要写回寄存器堆，目标地址来源于rt，rt连接到寄存器堆的地址写入端口，要写入的话还需要控制单元产生一个高电位的写使能信号，然后在时钟信号的驱动下，数据才能真正写入寄存器堆。

 sw rt，imm(rs)          #Mem[R[rs]+E(imm)]->R[rt]   存储：把数据写入数据存储器中

指令当中的立即数经过扩展输入到ALU的B端口，rs输入到寄存器堆的地址输入端口，读出数据后，连接到ALU的A端口，两者做加法运算，得到一个目标地址。rt连接到寄存器堆的地址输入端口，读出数据，这个数据需要写入到数据存储器，所以B端口应连接数据存储器的数据输入端口WD。这样根据上面得到的目的地址，把数据写入数据存储器。

6.I型分支指令（2条）

例如：beq rs,rt,offset          #if R[rs]==R[rt]

                                            #then PC<-PC+4+E(offset)<<2

                                            #else PC<-PC+4

          bne不等时转移

需要增加一个左移两位器和一个加法器。首先根据rs rt读取两个操作数，这两个操作数在ALU中做减法运算，产生一个0标志位，o标志位作为控制单元的输入信号，如果0标志位为1则表示两个操作数是相等的，PCsource=01，就要进行分支，通过PC相对寻址的方式产生分支地址。offset立即数扩展，左移两位后连接到加法器的A端口，PC+4连接B端口，两者相加得到分支的目标地址，这个目标地址要去更新PC寄存器，所以加法器的结果要和PC寄存器的输入端连接。操作数不相等，PCsource=00，直接用PC+4更新PC寄存器。

7.J型指令（3条）

j跳转指令：j,address    #PC<-(PC+4)[31:28] U (address<<2)

                                     # goto address

需要增加一个左移两位器和拼接器。把指令中的26位地址码，输入到左移两位器，26位变28位，和PC+4的高四位拼接。拼接的结果就是转移指令的目标地址，PCsource=11，然后这个目标地址去更新PC寄存器。

jal调用指令：j,address    #PC<-(PC+4)[31:28] U (address<<2)

                                        # $31<-PC+4;

                                        # goto address

跳转到某个地址后，同时把返回调用点的地址保存在r31寄存器中

jr指令

jr rs           #PC <- rs

                 # goto rs

跳转到某寄存器。根据RS读出数据，这个数据作为跳转的目标地址，PCsource=10，然后这个目标地址去更新PC寄存器。

8.最后一条I型指令lui

lui rs,0

imm16位扩展至32位，送入alu，alu取高16位，低位填零补全32位，将结果回填Rs寄存器

CPU数据通路图

这个数据通路图可能与上边的数据通路图有一些出入，以此为准，有错误欢迎指正。

寄存器堆：

Ra：地址输入端口
Rb：地址输入端口
Rd：地址写入端口
WD：数据输入端口，数据写入寄存器

数据存储器：

Address：地址输入端口
RD：数据输出端口
WD：数据输入端口，数据写入存储器
 

下一步设计ALU