Lecture 7 | The Processor-Part1 Cont.

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Chap4 The Processor-Part1

如何实现读取指令与运行

Instruction Execution Overview

两个前置步骤

三种指令类型

For every instruction, the first two step are identical
1. Fetch the instruction from the memory
2. Decode and read the registers
Next steps depend on the instruction class
1. Memory-reference
2. Arithmetic-logical
3. branches

An overview of Implementation

一个处理器的概念图，不是真正的样子

从取址开始，也就是从PC开始

指令在instruction memory里

注意指令固定是32bit

Send PC to the code memory.
Read one or two register.

注意，取出来的指令放到reg后还经过了ALU

这是因为load和store有基地址和偏移量24(x10)，需要进行计算

两条线交汇处（打红圈的地方）不能直接连接，因为数据不同可能冲突

需要使用Multiplexers

不同指令下怎么选Multiplexers是考点

Control the units: Read Memory, Write Memory.

mux通过控制线路控制

约定熟成，黑的是数据线，蓝的是控制线

上面zero和branch与了一下，是因为zero的输出不受branch的影响

4.3 Building a Datapath

Execution in RISC-V

Fetch
- Take instructions from the instruction memory
- Modify PC to point the next instruction
Instruction decoding & Read Operand:
- Will be translated into machine control command
- Reading Register Operands, whether or not to use
- Reading Register Operands, whether or not to use
Executive Control
- Control the implementation of the corresponding ALU operation
Memory access
- Write or Read data from memory
- Only ld/sd
Write results to register
- If it is R-type instructions, ALU results are written to rd
- If it is I-type instructions, memory data are written to rd

Fetching

涉及三个组件及其连接

R-Format Instructions

加减法

Read two register operands
Perform arithmetic/logical operation
Write register result

左边这个就是实验写的RegFile

Load/Store

Read register operands
Calculate address using 12-bit offset
1. Use ALU, but sign-extend offset
Load: Read memory and update register
Store: Write register value to memory

Branch

Read register operands
Compare operands
- Use ALU, subtract and check Zero output
Calculate target address
- Sign-extend displacement
- Shift left 1 place (halfword displacement)
- Add to PC value

sl 1 是因为RISCV最小支持16bit双字节指令，左移1bit以人为扩大一倍寻址空间而不超过32bit

之前提到过，指令里面imm不是从0位开始而是从1位开始

Composing the Elements

组合上面这些模块

注意

First-cut data path does an instruction in one clock cycle
- Each datapath element can only do one function at a time
- we need separate instruction and data memories
Use multiplexers where alternate data sources are used for different instructions

Path Built using Multiplexer

从左边的指令出发，指令各部分看连线就很清晰了

这部分着重看指令机器码不同部分的去向

连线看后面部分

共6个控制信号：

！！！！！Full Datapath！！！！！

要背，会让你直接画出来

R型指令负责逻辑运算

红色框是解码部分

先通过pc的地址取指令

然后解码，解码后将相应的码位输出到对应的地方

这里将读的地址和写的地址交给了registers，后者将对应地址的数值给ALU

Registers到ALU有一个通路有mux，由ALUSource控制，用于选取立即数或Registers的值

ALU计算完执行写回操作

右下角的mux有2bit控制信号，图里少了个jump指令返回pc+4的输入

menWrite和menRead默认情况下都要强制置零，前者为了避免误写入（这是不可逆的），后者实际上其实无所谓，但是后面会提到，其与cache有关

branch也是强制置零，防止pc被改掉

下面讲的是I型指令的ld指令

ld从寄存器取基地址，加上一个立即数的偏置量，由此算出内存的物理地址，然后从mem取数并放回reg

ImmGen用于处理指令里的立即数，比如合并、移位

两个mux与R型都不一样了，且需要进入data mem

S型指令的sd指令

看上去和ld差不多，基地址、偏移量、数据三元素

但是被分为不同类型的指令，因为涉及两个reg，一个放数据，一个放基地址

而且不用写回，在data mem就结束了

上面都是在reg结束

跳转就复杂了，三面上个都长得差不多

SB类型的beq条件跳转

减法，通过ALU的zero输出判断两个数是否相等

然后立即数左移了一位，因为，beq指令中的imm是地址偏移量，其大小据决定了能跳多远，即寻址范围更大

最低位直接舍去了

实际连线时会直接从第二位开始连，不用额外的移位运算，图中只是强调一下

上面有两个add，左边专门pc+4，右边获得偏移后的目标地址

目标地址会直接给pc，结束beq