【梳理】计算机组成与设计 第4章 处理器 第1节 数据通路（内附文档高清截图）

配套教材：
Computer Organization and Design: The Hardware / Software Interface (5th Edition)
建议先修课程：数字逻辑电路、C / C++、汇编语言。
这是专业必修课《计算机组成原理》的复习指引。建议将本复习指导与博客中的《简明操作系统原理》配合复习。
在本文的最后附有复习指导的高清截图。需要掌握的概念在文档截图中以蓝色标识，并用可读性更好的字体显示 Linux 命令和代码。代码部分语法高亮。
计算机组成原理不是语言课，本复习指导对用到的编程语言的语法的讲解也不会很细致。如果不知道代码中的一些关键字、指令或函数的具体用法，你应该自行查找相关资料。

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第四章 处理器

第一节 数据通路

1、回忆在数字逻辑电路课程中学习到的内容：集成触发器作为计算机的各种芯片中的基本部件，常采用边沿触发（edge-trigger）方式进行工作：由专门的时钟（clock）信号来控制数字电路的动作。只有时钟在上升沿（正沿）或下降沿（负沿）时，读写等动作才被允许进行。这保证了在数字电路的动作期间，输出结果不因输入的波动而引起变化，大大提高了计算机的稳定性和抗干扰能力。

2、寄存器堆（register file）指的是多个寄存器组成的阵列通常由快速的静态随机读写存储器（SRAM）实现。 这种RAM具有专门的读端口与写端口，可以多路并发访问不同的寄存器。每个寄存器用寄存器号（register number）来唯一标识。

3、数据通路（datapath），指的是指令执行过程中，数据所经过的路径，包括路径中的部件。
下图是一个数据通路的一部分。这部分用于实现程序计数器的自增（增加4）和取指令。取到的指令被数据通路的其它部分使用。
本节的图和表格的内容不用背下来，能看着图表流利说出不同的指令怎样通过数据通路即可。

4、基于MIPS指令集架构的处理器中的一个处理分支指令beq的数据通路示例如下：

取指令后，指令中刻画偏移的立即数进行带符号扩展。由于MIPS的所有指令都按4字节对齐，所以刻画偏移的立即数要左两位。这不需要用到一整个功能完全的位移单元，因为位移方向和位数都是固定的，所以可以只用高度简化的硬件。加法器用于根据基址（取指令后为PC的值+4）和偏移地址来计算出条件分支的目标地址。指令被按照指令格式分成若干部分，传入相应的端口。Read Register端输入的是寄存器号（5个bit），Read Data端用于输出读取到的数据。一个专门的ALU用于比较beq中的两个数（从寄存器传入）是否相等。比较的实现方式是相减，当两数相等时输出0。条件判定的结果会被输出到分支控制逻辑，后者决定是否跳至分支目标。ALU Operation端用于输入控制信号，ALU根据输入的不同来执行不同的运算。出于简便的考虑，ALU的端口并未全部画出。

5、MIPS指令集允许延迟分支，也就是说无论分支的条件是否成立，有一些指令总是在顺序执行或跳至分支之前先执行。

6、以下是基于MIPS的CPU的一条数据通路：

指令根据指令格式拆分成若干部分进入不同端口。R型指令的目标寄存器号和源寄存器号分别进入Write register和Read register端。虽然指令中的一部分也会一同输入Sign-extend端（当指令格式不包含16位偏移时，输入的是不正确的内容），但是接下来的MUX会根据控制信号（随指令的不同而不同）决定输出哪一路给ALU。ALU的运算结果同时输入到内存的Address端和Write data端。之后的MUX也会根据指令的类型选择正确的一路（地址或算术、逻辑等表达式的值）输出。有的指令要求将内存中的数据输出到寄存器（例如load指令），那么MentoReg和RegWrite信号输入有效，相应数据被写入寄存器。有的指令只要求将结果写入寄存器，那么MemtoReg无效，RegWrite有效，运算结果经过最右侧的MUX后被写入寄存器。

7、以下是基于MIPS的CPU中的一个数据通路的示例：

取指令的时候，指令地址由PC给出，传入指令内存的Read address端。PC的值和常数4被送入一个单独的ALU中进行PC的自增。取得的指令从指令内存送入寄存器和负责符号扩展的专用电路。如果指令包含偏移地址，那么16位的偏移地址在符号扩展后左移2位，通过专门的ALU计算新的地址。由PCSrc端输入控制信号的MUX会根据指令的类型输出新的PC值：对非跳转指令，PC正常+4；如果要求跳转，就输出跳转的目标地址。剩下的部分和上一个图相同。也就是说这个数据通路比上一个数据通路多了一个功能：处理分支。

8、以下是基于MIPS的CPU的一条更完整的数据通路：

回忆MIPS的指令格式：

可以看出，指令的高6位用于产生控制信号（用蓝色线代表传送控制信号的通路）。R型指令的最低6位，也就是funct部分来控制ALU的动作。ALUOp是高2位。ALUOp和指令的对应关系如下：（X代表无关项（don’t-care term））

funct部分的低4位与ALU执行的运算的对应关系如下：

蓝色线代表控制信号的输入位置。这7个控制信号的无效和有效分别代表的意义如下：

电路图上没有标出控制信号PCSrc：这个信号改为由右上角的与门给出。当beq指令的分支条件满足时，Branch端和ALU的0输出端同时输出高电平，与门输出高电平，PC的值为分支的目标地址。
不同类型指令的操作码和控制信号如下：

至此，一个单周期的实现就基本完成了。这条数据通路已经可以正确执行绝大多数MIPS指令。

9、我们为上面的数据通路添加无条件跳转指令。MIPS的跳转指令j的格式如下：

添加该功能后，执行j的数据通路如下：

右上角多了一个MUX。取完j指令后PC已经加了4，这部分会与跳转的左移两位后的偏移合并为新的地址。

10、虽然上述单周期设计已经能正确工作，但现今的芯片中，除非芯片非常简单，否则一般不会使用这种设计了。一个芯片能跑多高的频率，是受最长的数据通路制约的。LOAD指令经过的数据通路一般最长，比如在上述设计中，执行一次要经过5个功能模块：指令内存、寄存器堆、ALU、数据内存、寄存器堆。虽这个指令能在1周期内完成，不过就因为这个周期最长的指令，我们不能把芯片的运行频率设定得过高，否则该指令就无法在1周期内正确执行完毕。下一节我们介绍流水线，这是进一步提升性能的重要方式。