计算机组织与糸统结构 设计单周期控制 Designing Single cycle Control (第十一讲 程旭 20004.13 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ¯æ §ù;é ø]²Ð< Eftjhojoh!Tjohmf!Dzdmf!Dpouspm Ä Z Å È
如何设计处理器:循序渐进 1分析指令系统→>数据通路盂求 通过寄存器传输描述每条指令的意图 针对sA寄存器,数据通路必须具备必要的存储元件 可能需要多个 数据通路必须支持每种寄存器传输 2.选择一组数据通路部件,建立时钟同步方法 3根据需求,组裝数据通路 4.分析每条指令的实现,以确定如何设置影响寄存器传输的控制点 5.装配控制逻辑 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ² îÑ46 Ú¿@ Úd۸ϳ !DBîÃ Ô î,<ôg £Ä £5Û¸XãÒ \Í,6$,<ÈDBîÃOKÛUX,|Ê ÃÑÔUîþ DBîÃOÕ£¡,<ôg ݽÔDBîüÊÈÎÊsà9© BÔÈ DBîà Úd£5Û¸XrȹBnV)BE¡,<ôgX{ ! { e
MIPS指令格式 °所有的MPS指令都是32位长。具有如下三种格式 26 ·R型 op d shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits s bits 5 bits 6 bits 31 26 21 型 rt immediate 6 bits s bits 5 bits 16 bits J型 26 0 target address 6 bits 26 bits °不同的场位为 ·op:指令的操作 ·rs,rt,rd:源和目的寄存器描述符 · shamt:移位量 funct:选择op场位指定的不同操作 · address/ immediate:地址偏移量或者立即数数值 target address:跳转指令的目标地址 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 0,367l? eÝX 0,36Û¸Ñ!SÄKÝVßÝ¡ãÖ 5_ ,_ -_ eáàX! RS Û¸X¡0 UV UWUG d`ÂX,<£Äú VKDPW Ï!£ IXQFW ݽ2S!ÛnXáà¡0 DGGUHVVLPPHGLDWH #Ï£êÙGDD WDUJHWDGGUHVV Ç@Û¸XÂÛ RS WDUJHWDGGUHVV ELWV ELWV RS UV UW LPPHGLDWH ELWV ELWV ELWV ELWV RS UV UW UG VKDPW IXQFW ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV
本讲涉及的MIPS指令系统子集 °加法和减法 rt rd shamt funct add rd rs, rt 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits sub rd, rs rt 16 °或立即数: rs rt immediate ori rt, rs, imm16 6 bits 5 bits 5 bits 16 bits °装入和存储 ·wrt,rs,imm16 swt rs, imm16 转移 beq rs, rt, imm16 26 °跳转 target address 6 bits 26 bits 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ \â¹ú´0,367+ö et©`£© DGGUG UV UW VXEUG UV UW eêGD RULUW UVLPP e9`,| OZUW UVLPP VZUW UVLPP e@Ï EHTUV UWLPP eÇ@ MWDUJHW RS UV UW UG VKDPW IXQFW ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV RS UV UW LPPHGLDWH ELWV ELWV ELWV ELWV RS WDUJHWDGGUHVV ELWV ELWV
综上所述:单周期数据通路(包括Jm指令 除了控制信号,我们已经学会了单周期数据通路的设计 PC sel 转移 指令 跳转 取指部件 Rd rt Regist Clk Mu Rs Rt ALUctr Rt rs rd Imm16 Re.555 busa 零| Mem Wr MentoRed Rw Ra rb busw 32×32位 32 32 寄存器堆 us B 巫。沙 出 WrEn Adr 屈 Data In 32 mm16 数据存储器 器 Clk ALUSre ExtO 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 0X[ $/8 ,:p O J 5 -XPS7 0HPWR5HJ e8Z{ µË ÈåÀÆ£:îZ)<óDBîÃXu $/8FWU &ON EXV: 5HJ:U EXV$ EXV% 5Z 5D 5E ×! ,<Ú 5V 5W 5W 5G 5HJ'VW = ) < 0X[ LPP $/86UF ([W2S 0X[ &ON 'DWD,Q :U(Q $GU DB,|< 0HP:U ªÛ¼Ê &ON Ê Û¸ ! Ç@ @Ï ! ! ! ! 5W 5V 5G ,PP Q3& B VHO
教学目标:已经掌握的內容 °计算机的五个基本部件 处理器 输入 控制 存储器 数据通路 输出 °本讲主题:为单周期数据通路设计控制 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 7 "ÿ¼´µé eukXhþÎ¼Ê el )<óDBîÃu{ { DBîà ,|< ØÚ< g9gÎ
本讲提纲 °复习和介绍 °寄存器寄存器&或立即数指令的控制 °装入、存储、转移和跳转的控制信号 °建造一个局部控制器:ALU控制 °主控制器 总结 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ \ââ eá4`¡ e,<,< êGDÛ¸X{ e9Ã,|Ã@Ï`Ç@X{ µË eÎôÔþ¼{ < $/8{ e{ < e§
寄存器传输语言:加法指令 26 16 rt ro shamt funct 6 bits 5 bits 5 bits s bits 5 bits 6 bits add rd rs rt mem[PC 从存储器中读取指令 ·Rrd]←R[rs]+Rr实际操作 PC EPC +4 计算下一条指令地址 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ôPà 0 Ð7 eDGG UG UV UW PHP>3&@ ¢,|UG@⇐ 5>UV@ 5>UW@ r¡0 3&⇐ 3& ukßÔ5Û¸ RS UV UW UG VKDPW IXQFW ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV ELWV
Add开始时的取指部件 °从指令存储器中取出指令:指令∈=mem[PC] ·这一部分,对于所有指令都相同! 指令存储器 指令 nPC sel(+4, Bra, Jmp busw Clk Imm16 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 3&([W,PP $GG0û&´7& e¢Û¸,|3&@ Ô¼ÚÈÍbÝÛ¸ÑÌའEXV: Û¸,|< 0X[ 3& &ON $GGHU Q3& B VHO %UD-PS Û¸ $GGHU Û¸ !
在加法/减法开始时的取指部件 °从指令存储器中取出指令:指令∈mem[PC] ·每个指令的取指过程的这一部分都相同 Addr PC addr1: 0> 00 指令存储器 目标指令 转移=旧值 零 当旧值 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ $/8 $/8 08; XÐÿ0û&´7& e¢Û¸,|3&@ £þÛ¸XªÛßXÔ¼ÚÑÌà ú Ë=) LPP 3& &ON @Ï » Ê » 3& ! Ç@ » Û¸ ! ÂÛÛ¸ ! $GGU ! Û¸,|< $GGU ! Û¸ ! 08;