【Computer Organization笔记16】大实验任务详细说明：支持指令流水的计算机系统设计与实现

本次笔记内容：
P31 计算机组成原理（31）
P32 计算机组成原理（32）

我的计组笔记汇总：计算机组原理成笔记

视频地址：计算机组成原理 清华大学刘卫东 全58讲 国家精品课程 1080P 更完

幻灯片见我的 GitHub 仓库：计算机组成原理 src/slides

本节课继续由老师讲解实验；本节课后的下周周一、周四由同学们来讲解自己的进度。

本将标题为：支持指令流水的计算机系统设计与实现。

尽量做流水，实在不行做多周期。

这节课也是对计算机组成原理的综述、复习。很重要。

内容提要

• 实验目的及目标
• 指令系统分析
• 指令执行骤举例
• CPU框架设计
• 讨论

做计算机第一件事，干什么呢？设计指令系统。老师已经给大家了。指令系统分析实际上就是需求分析。

实验目的

• 进一步理解和掌握 Von Neumann 结构计算机各部件组成及内部工作原理
• 进一步掌握计算机指令系统及指令功能的实现方法
• 进一步加深对指令流水概念、实现机制和流水冲突等的理解
• 培养硬件设计（计算机系唯一需要在硬件上动手的课，此外，CS国防生可能以后还要做很多硬件相关的东西）和调试的能力
• 培养团队管理、合作精神及表达沟通能

实验目标

最低目标

• 实现 THCO MIPS 指令系统，能运行已有的监控程序
• • 多周期/指令流水CPU
• • 支持I/O操作
• 可在监控程序下运行应用程序
• 完善监控程序等辅助软件系统

更高目标

• 更好地解决流水线“冲突”问题
• 中断、分时、双机通信
• 应用程序
• 与编译系统的结合
• …

指令系统设计

• 16位字长单字指令
• 满足指令系统的基本要求
• • 完备性、规整性、高效性、兼容性
• 容易实现指令流水
• • 指令格式简单、寻址方式简单
• MIPS 16e 指令系统格式
• 建议的指令系统
• • 见实验指导书

指令分类和指令格式

• 基本可归结到寄存器型、立即数型和跳转型三类MIPS典型指令格式类型中
• 指令格式简单，寻址方式较少，容易实现流水

状态转移图和指令各执行步骤的操作功能

上图是多周期的转移图。可以用于参考。

我们的下一条指令 PC = PC + 1 ，因为我们的指令系统是按照字进行编址的。

如果加入中断，可以在取指前，加一个中断跳转。

流水的实现

如上是一个参考，我们至少要加入“暂停”，至少能检测出冲突。

指令的分类

按照指令的操作类型可分为4种：

• 纯数据:R型、I型
• 控制流相关：B型、J型。

R型指令(寄存器-寄存器型)从寄存器堆中读取源操作数，结果写回寄存器堆：SLL、SRL、SRA、SLLV、SRLV、SRAV、MTSP、MOVE、ADDU、SUBU、MFPC、SLT、SLTU、CMP、NEG、AND、OR、xOR、NOT、MFIH、MTIH。

I型指令(立即数型)使用一个(4位或5位或8位或11位)立即数作为一个源操作数：SW_Rs、SW_SP、SW、LW_SP、LW、 ADDIU3、 ADDSP3、 ADDSP、ADDIU、LI、SLTI、 SLTUI、CMPI、INT。

B型指令(立即数跳转型)使用一个立即数作为跳转的目标地址：B、BEQZ、BNEZ、 BTEQZ、 BTNEZ。

J型指令(寄存器跳转型)使用寄存器的值作为跳转的目标地址：JR、JRRA、JALR

指令格式功能描述

R型指令：

具体可见参考书。

从指令分析中能得到什么？

老师希望同学们得到如下问题的答案：

• ALU需要完成哪些功能？
• 寄存器组构成？
• PC增量？（刚才讨论了，在我们的指令系统中是1个字）

ALU需要完成哪些功能？

+
-
<<
>>
AND
NOT
OR
XOR

此外，还要考虑操作数的来源。

寄存器组构成？

两类： 通用寄存器 、 专用寄存器 。

通用寄存器：8个，R0到R7。

专用寄存器：

• PC：指令寄存器；
• SP：栈顶寄存器；
• RA：返回值寄存器；
• RH：中断寄存器；
• T：标志寄存器。

指令功能及执行步骤

数据通路画好了，绘制指令流程图、指令流程表。

填完一条指令，在数据通路上走一遍看看。

CPU总体设计

CPU的外部特性

输入信号

• CLK、INT、 Reset

输出信号

• 对基本存储的控制信号(总线)
• 基本存储的地址信号
• 对扩展存储的控制信号(总线)
• 扩展存储的地址信号

入出信号

• 基本存储的数据
• 扩展存储的数据

即，考虑总体的外部条件。

CPU主要组成

• ALU：另设加法器完成地址计算
• Register File
• PC、SP、IH、RA
• 步骤间寄存器组
• 控制信号生成部件（Decoder）：
• • Forwarding
• • Hazard testing
• • 动态预测

体现设计功力的地方，而实现可以分工进行。

ALU设计

功能：

• 加、减、与、或、非、比较…

接口：

• 输入：A、B、OpCode
• 输出：F

寄存器组设计

功能：

• 通用寄存器：多少个？
• 提供数据访问：什么时候读？什么时候写？写的条件是什么？

接口：

• A口地址、B口地址、写入寄存器地址
• A口数据、B口数据、写入数据
• 写入信号
• 时钟信号

与内存和外设的接口

与串口通讯时，是一个异步操作（握手）。

阶段寄存器设计

阶段间需要传递的所有信息：

• 中间数据
• 参数
• 控制信号

流水冲突

• 结构冲突（一定要做）
• 数据冲突（可以作为重点）
• 控制冲突（牵扯精力较多，可不做）
• 检测
• 处理

流水线CPU基本结构

最后要呈现类似这种图，给老师。上面这个图画的不太好。

实验步骤

确定指令系统

• 指令功能
• 指令格式

确定指令的执行流程

• 指令执行步骤划分
• 各步骤完成的具体功能

确定硬件组成模块

• ALU、RegisterFile、InsDecoder、PCAdder、MemInterface

确定每个模块的功能

• 能否完成每条指令的功能要求

给出每个模块的功能描述

• 具体实现，注意时序关系

时间安排

基本部分：

• 指令功能分析
• 数据通路设计、主要部件的功能及控制信号（18日）
• 指令执行步骤划分（指令流程图）
• 指令分步骤控制信号（指令流程表）
• 控制器详细设计（流水冲突控制）（21日）
• 模块结构及参数（25日）
• 系统实现及调试

扩展部分：

• 如果是硬件扩展，要在前面各步骤中体现

最终完成时间：

• 12月6日（检查完成，回收上交盒子）
• 12月13日（实验报告提交）

检查点：

• 实验目标确定：每组给出目标和方案，准备PPT（数据通路设计、指令执行步骤、各部件主要控制信号）
• 指令流程图和指令流程表，完整设计框图（包括控制信号）：每组给出较为详细的设计，并准备PPT