8.2单周期CPU设计

设计处理器步骤

ISA确定后，进行处理器设计的大致步骤

1. 分析每条指令的功能，并用RTL（Register Transfer Language）来表示
2. 根据指令的功能给出所需元件，并考虑如何将他们互连
3. 确定每个与元件所需控制信号的取值
4. 汇总所有指令所涉及到的控制信号，生成一张反映指令与控制信号之间关系的表
5. 根据表得到每个控制信号的逻辑表达式，据此设计控制器电路

1.指令功能的描述

数据指定

• 寄存器数据指定

  • 31×32-bit GPRs
  • 寄存器编号占5bit
  • PC：程序计数器

• 存储器数据指定

  • 32-bit machine–>可访问空间：$2^32bytes$
  • Little Endian（小端方式）

2.单周期数据通路的设计

1.扩展器部件

• ExtOp（3位）：扩展操作码控制

2.算术逻辑部件

3.取指令部件

• 每条指令都有的公共操作
  • 取指令：M[PC]
  • 更新PC：PC←PC + 4

4.R-型指令的数据通路

• 3条R-型指令：add、slt、sltu，都要写结果，对应的控制信号RegWr=1

5.I-型指令的数据通路

6.U-型指令的数据通路

• lui功能：R[rd]←imm20||000H 即直接将扩展器结果输出

• auipc功能：R[rd]←PC + imm20||000H 即直接将扩展器结果输出

7.Load/Store指令的数据通路

• lw指令功能：R[rd]←M[R[rs1] + SEXT(imm12)]
  • MemWr = 0
  • MemtoReg = 1
• sw指令功能：M[R[rs1] + SEXT(imm12)]←R[rs2]
  • MemWr = 1
  • MemtoReg任意

8.B-型指令的数据通路

beq指令功能：if (R[rs1] = R[rs2]) PC←PC + (SEXT(imm12) × 2) else PC←PC+4

9.J-型指令的数据通路

jal指令功能：PC←PC + SEXT(imm[20:1]<<1); R[rd]←PC+ 4

10.综合9条指令的完整数据通路

3.控制器的设计

1.控制信号取值分析

（1）R-型指令执行阶段

（2）I-型运算指令执行阶段

（3）lui指令执行阶段

（4）Load/Store指令执行阶段

（5）B-型指令执行阶段

（6）J-型指令执行阶段

2.控制器设计

4.时钟周期的确定