Chapter4_逻辑设计基础

部件介绍

组合逻辑部件不遵循时序，有输入就有输出

时序部件：

• 存储信息 Store information
• PC 指令内存， 数据内存

-组合逻辑

• 与门
• 加法器
• 多路选择开关 Multiplexer
• ALU 算术逻辑单元
  • 9 条指令但不是9种运算
    • lw，sw的加法
    • 减法
    • AND , OR
    • set-on-less-than
    • 共五种运算

-状态组件

寄存器输出信号在上升沿变化（有效表示逻辑高，无效表示逻辑低）

写控制的寄存器，需要在时钟沿上升时write写入信号为真，才会根据输入改变输出

时钟控制策略

• 组合逻辑电路至于时钟间隔中
• 从时序部件取出，置入时序部件，从寄存器取出，放入内存或寄存器中
• 组合逻辑完成后的下一个时钟再传回PC+4

数据通路(Datapath)和控制器

-Datapath组件

​ CPU内处理数据和地址的组件

• 寄存器 Registers
• 算术逻辑单元 ALU
  • 两个32位输入，一个32位输出，一个1位输出（表示结果是否为0）
• 多路选择器 MUX
• 内存 Data Memory
  • 其实是DCache，在教学模型中简化了
• 程序计数器 PC
  • 任何类型的指令都需要使用到PC
• **符号扩展 Sign-extend **
  • 有符号数扩展——高位填充

寄存器堆，ALU

-操作简述

R-format Instruction

• 读取两个寄存器
• 进行算术逻辑运算
• 结果写入寄存器

Load/Store Instructions

• 读取寄存器
• 使用16位立即数进行计算地址（使用算术逻辑单元进行符号扩展）
  • Load： 读取内存，更新寄存器
  • Store： 将寄存器值写入内存

Branch Instructions

• 需要两种指令beq, bne的原因:
  • 跳转范围一共是2³² ,而分支跳转的范围是2¹⁶ ,若beq无法达到该位置，则可以使用bne加j完成跳转
• 计算分支目标地址
• 比较操作数

-操作详述（结合图片&暂不考虑控制信号）

1. R-format Instructions （指令包含三个寄存器）

   • 获取三个寄存器地址，进入寄存器堆，
   • 将两个读取数据置入ALU，通过ALUOP控制运算方法。
   • 输出值为数值，无需进入数据内存，直接返回到寄存器堆。
   • 将结果写入目标寄存器中
   • PC获取新的指令地址（PC+4），完成

2. Load/Store Instructions (指令包含两个寄存器和一个16位有符号立即数)

   • 获取寄存器地址，进入寄存器堆，立即数通过扩展进入ALU

   • 将内存地址读取置入ALU，与立即数进行加法运算得到准确的内存地址

   • 如果是Load指令

     • 进入数据内存读取数据，返回到寄存器堆

     • 将结果写入目标寄存器中（写寄存器通过RegDst控制)

       这里值得注意的一点是，虽然我们写的是

       lw $t0 (0)$a0 

       但是$t0作为需要被写入的寄存器，在机器码中处于[20:16]的位置，也就是如图所示，Read register2的位置，于是通过多重选择器，导入到了Write register的位置，进行写入操作

   • 如果是Store指令

     • 将从Read Register2读取到的数据（Read Data2)传输到数据内存的写入区（Write Data）进行写入操作

       之所以是从Read Register2读取数据，见上面Load中解释

   • PC获取新的指令地址，完成

3. Branch Instructions （指令包含两个寄存器和一个16位有符号立即数）

   • 获取寄存器地址，进入寄存器堆，立即数通过扩展进入Shift-left左移两位

     左移两位是因为地址信息需要乘以数据长度

   • 两个寄存器读取的数据进入ALU进行运算，ZERO位输出是否相等的结果

   • 结果通过组合逻辑电路输入到右上角的MUX进行多重选择，若满足条件，则使用PC+4+L，否则使用PC+4

     组合逻辑电路此图未显示

   • PC获取新的指令地址，完成

控制信号详述

ALU controller

ALU控制信号的分配

• Load/Store : F = add
• Branch: F = subtract
• R-type F depends on function field

每个数据通路同时只能进行一个操作

ALU 控制信号生成方式

• 根据2位操作码和6位功能字段生成ALU控制信号

通过将[27:26]的ALUop和[6:0]的Funct字段联合控制，可以由组合逻辑电路产生控制信号，具体实现方式可以通过列出带无关项 的真值表获得。(如下图)

主控制单元

​ 数据通路如何得知需要进行哪些操作呢？除了ALU通过ALU控制信号得知运算单元需要进行的运算方式，读写控制，多重选择都需要控制信号的注入，而这些控制信号，就由主控制单元根据[31:26]的Op字段操作码运算得出~

控制信号

1. RegDst [Register Destination]
   • 在寄存器堆处，用于区分存取指令和R指令（存取指令写入rt，R指令写入rd）
2. RegWrite [Register Write]
   • 寄存器堆可写入
3. ALUSrc [我并不能想到全称是什么]
   • 用于MUX，ALU操作数之一为Read Data1，第二个操作数可选，ALUSrc用于选择Read Data2或是Sign-extend后的offset立即数
4. **PCSrc ** [Src可能是System resource controller？]
   • 正常情况，PC自增之后替换原PC，但在分支指令中，若分支为真，则需要用PC+4+L替换原PC，PCSrc即用于Branch Instructions
5. MemRead [Memory Read]
   • 内存数据读取使能，用于load word指令
6. MemWrite [Memory Write]
   • 内存数据写入使能，用于save word指令
7. MemtoReg [Memory to Register？]
   • 写入寄存器数据是否来自内存，用于lw指令

下图即为不同指令所对应需要的控制位信息：

（未完，若有错误请大佬不吝指正）