CPU设计解析:取指周期与指令执行
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更新于2024-08-04
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"CPU设计过程1"
在CPU的设计中,取指周期是执行指令的首要步骤,它涉及从内存中获取指令并将其送入指令寄存器(IR)。在这个过程中,程序计数器(PC)起着关键作用。当取指周期的第一个节拍到来时,PC的当前值作为地址被送到存储器,同时产生读取信号(MemRead),存储器根据这个地址输出相应的指令数据到IR。IR是一个带有写使能端的寄存器,确保在后续的节拍中能够保持指令信号供给给控制器和其他部件。为了写入IR,还需要生成IRWrite信号。
在PC+4的操作中,由于运算操作通常比访问内存快,所以在第一个节拍中,PC的值增加4后更新,准备执行下一条指令的地址。ALU(算术逻辑单元)在这个过程中用于加法操作,需要AluOP信号来选择不同的操作。指令的种类,如LW、SW、BEQ、BNE、ADDI等,决定了ALU和寄存器之间的交互方式。
对于LW指令,它的执行分为三个节拍。首先,R[rs]的值被加载到寄存器A,同时ALU的A端接收此值,通过AlusrcA控制。在第二个节拍,数据被保存在寄存器C,并送入存储器地址端,同时产生MemRead信号,以便数据从内存读出。在第三个节拍,数据被读入数据寄存器(DR),并在第四个节拍通过寄存器写信号写入寄存器堆。
SW指令的执行与LW类似,但数据流向相反。在第一个节拍,A寄存器保存要写入内存的数据,B寄存器保存数据地址,同时A寄存器的值通过ALUsrcA进入ALU,B寄存器的值通过扩展器送到ALUsrcB,最终数据被送到存储器的Din端。第二个节拍,ALU的输出保存在C寄存器,并通过IorD信号送到存储器地址端,第三个节拍,数据被写入内存。
BEQ和BNE是分支指令,它们涉及到条件判断和跳转。分支地址计算在PC+4的同时进行,立即数经过拓展和逻辑左移2位以适应字节寻址,然后与PC+4的值相加,结果存储在C寄存器中。如果满足分支条件,那么在下一个节拍,PC的值将被更新为这个分支地址。
CPU的指令执行过程涉及到复杂的硬件交互,包括寄存器、ALU、存储器和控制信号。每个指令的执行都需要精确的时序控制,以确保数据的正确流动和操作的正确执行。在这个过程中,理解和设计这些细节是CPU设计的关键部分。
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马李灵珊
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