RISC处理器设计：流水线初步与寄存器读出端口详解

本文档主要探讨了CPU设计中的关键部分——主要数据通路，特别是寄存器读出端口在流水线体系中的作用。首先，文章回顾了指令系统结构（ISA）的基础概念，包括影响指令系统设计的因素，如工艺、系统结构、操作系统、编译器和应用需求。指令系统的组成部分，如操作、操作数和编码方式，被详细解释，比如RISC指令系统的特点，其中大部分指令的操作仅占96%，且以load-store寻址方式为主，采用定长编码。 文章重点介绍了RISC（Reduced Instruction Set Computing）指令系统的简史，提及了从CDC6600到801、MIPS、RISC-2等重要里程碑。不同RISC架构之间的比较也被提及，比如MIPS、Solaris、HP-PA和PowerPC的特性。此外，还讨论了MIPS指令系统与其操作系统之间紧密的关系。 接下来，作者深入讲解了指令流水线的概念，强调了指令的相关性对CPU性能的影响。一个简化版的CPU模型被介绍，它具有16位指令和数据，8个通用寄存器（其中GPR 0始终为0），一个定点ALU，以及两种指令格式：R-type和I-type。R-type指令涉及两个寄存器操作，而I-type指令则带有立即数操作。 文章详细列举了若干基本指令，如算术运算（ADD、SUB、AND、OR、SR、NOT、SRU和SL）、逻辑操作（如BZ、BGT、BLE）以及存储和转移指令（LD、ST、ADDI和转移指令）。特别提到，为了处理ST指令和转移指令中的目标寄存器选择，IR（指令寄存器）的输出逻辑进行了优化处理，这部分逻辑被视为IR的一部分。 总结来说，这篇文档深入剖析了CPU设计的核心组件，从指令系统结构到具体实现，包括流水线、寄存器、ALU和指令格式，展示了RISC设计的关键特点，并通过实例展示了如何设计和实现一个简单但功能完整的CPU。这对于理解现代CPU设计原则和技术细节非常有帮助。