计算机组成原理之处理器(单周期)

引言

处理器的实现方式决定了时钟周期长度和CPI。实现方式有单周期与流水线，本篇谈谈单周期处理器。

目前CPU的频率一般是3GHZ/4GHZ，但是频率是有极限值的，受cycletime影响

基本的RISC-V实现

• 存储指令：ld,sd
• 算术逻辑指令 ：add ,sub,and,or
• 条件分支指令:beq

实现每条指令的前两个步骤是一样的：

• 程序计数器发送到指令所在的存储单元，并从其中取出指令
• 根据指令的某些字段选择要读的一个或两个寄存器

所有类型的指令在读取后都用ALU(存储器访问，算术逻辑，条件分支比较)

单周期CPU概览

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流程介绍

所有的指令都用程序计数器获得指令在指令存储器中的地址。

• 取到指令后，指令的对应字段知道要使用的寄存器操作数。
• 寄存器操作数一被取出，即可用于计算存储器地址（load指令或store指令）、计算算术运算结果（定点算术逻辑指令）或进行相等检验（分支指令）。
• 如果是算术指令，ALU的结果要写回寄存器。
• 如果是存取操作，ALU的结果黄作为存储器地址以及存储来自寄存器的值，或将存储器数据加载到寄存器中。
• 对于分支指令ALU的输出来觉得下一条指令的地址，这个地址可能来自PC和分支偏量相加的加法器，也可能来自PC+4的加法器。

时钟同步方法

一般用边沿触发来到达时钟同步的目的。这也决定了要在一个时钟周期内读出寄存器的值。

建立数据通路

数据通路单元

数据通路单元是一个用来操作或保存处理器中数据的单元。在RISC-V实现中，数据通路单元包括指令存储器、数据存储器、ALU和加法器。

如果一个单元内部有存储功能，它就包含状态，称为状态单元

程序计数器

包含当前程序正在执行指令地址的寄存器，是一个64位的寄存器，在每个周期结束后被写入。

存储单元

寄存器堆

处理器的32个通用寄存器位于寄存器堆（register-file)的结构中

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数据存储单元

读写信号是相互独立的，但仅有一个可以在任意给定的时钟上有效

为实现beq指令，需要将PC值与符号扩展后的指令偏移量相加得到分支地址

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分支指令

• 指令系统结构规定了计算分支目标地址的基址分支是所在地址
• 将偏移量左移以为以表示板子为单位的偏移量，这样的偏移有效范围扩大两位

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ALU控制

”load/store = add“ “branch = sub" "R type ~ depend on opcode"

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控制信号

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数据通路操作

R型

• 取出指令，PC自增
• 从寄存器堆读两个寄存器，对从寄存器堆读出的数据进行操作
• 根据部分操作码确定ALU的功能，对寄存器堆读出的数据进行操作
• 将ALU的结果写入寄存器堆中的目标寄存器

load指令

步骤：

• 从指令存储器中取出指令，PC自增
• 从寄存器堆中读出对应一个寄存器的值
• ALU将从寄存器堆中读出的值和符号扩展后的12位（偏移量）相加
• 将ALU的结果用作数据存储器的地址
• 将从寄存器读出的数据写入寄存器堆

beq指令

• 从指令存储器中取出指令，PC自增
• 从寄存器堆中读出两个寄存器x1和x2
• ALU将寄存器堆读出的两数相减。PC与左移一位、符号扩展的指令中的12位相加，结果是分支目标地址
• ALU的零数超出决定将哪个加法器的结果写入PC

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