计算机组成原理笔记

2023-08-17 07:44| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 Chapter4_逻辑设计基础部件介绍-组合逻辑-状态组件数据通路(Datapath)和控制器-Datapath组件-操作简述-操作详述（结合图片&暂不考虑控制信号）控制信号详述ALU controllerALU控制信号的分配ALU 控制信号生成方式主控制单元控制信号

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 informationPC 指令内存，数据内存 -组合逻辑与门加法器多路选择开关 MultiplexerALU 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 , ORset-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）

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

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

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 = addBranch: F = subtractR-type F depends on function field ALU controlFunction0000AND0001OR0010add0110subtract0111set-on-less-than1100NOR

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

ALU控制信号对应的OP、Funct字段

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)

真值表

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

控制信号含义

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） RegWrite [Register Write] 寄存器堆可写入 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 **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 MemRead [Memory Read] 内存数据读取使能，用于load word指令 MemWrite [Memory Write] 内存数据写入使能，用于save word指令 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：不同指令对应需要的控制位信息（未完，若有错误请大佬不吝指正）

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