CS61C学习笔记-SingleCycleCPU_Datapath(十)

Risc - V 处理器设计

The CPU

Processor(CPU)

计算机的活动部分即完成全部工作的(数据操纵与决策)

Datapath

处理器的一部分，包含执行处理器所需操作所需的硬件( 肌肉 )

Control

处理器的一部分(在硬件方面也是如此)，告诉数据通路需要做什么(大脑)

需要实现的所有 Rv32I 指令

单指令每周期 Risc - V 机

• 在时钟的每一个刻度上，计算机执行一条指令
• 当前状态的输出驱动组合逻辑的输入，组合逻辑的输出固定在下一个时钟边之前的状态值
• 在上升的时钟边沿，所有的状态变量用组合逻辑输出进行更新，执行转移到下一个时钟周期

数据通路的阶段：概述

• 问题：”执行指令” 的单个”单片”块(从取指令开始执行所有必要的操作)过于庞大，效率低下
• 解决方法：将”执行指令”的过程分解为阶段，然后连接各个阶段创建整个数据通路
  • -更小的阶段更容易设计
  • -容易优化(更改)一个阶段而不接触其他阶段(模块化)

数据通路的五个阶段

• Stage 1: Instruction Fetch (IF)
  • 取指令
• Stage 2: Instruction Decode (ID)
  • 指令解码
• Stage 3: Execute (EX) - ALU (Arithmetic-Logic Unit)
  • 执行
• Stage 4: Memory Access (MEM)
  • 存储器存取
• Stage 5: Write Back to Register (WB)
  • 写回寄存器

R-Type Add Datapath

add 指令的实现

Datapath for add

add 时序图

Sub Datapath

sub 指令的实现

add/sub 的 Datapath

Implementing Other R-Format Instructions

Datapath with Immediates

Implementing I-Format - addi instruction

Adding addi to Datapath

I-Format 的构造基本上和 R-Type 的相同，只需要把 Re[rs2]的值改成传递的 Imm 值就好了

Imm. Gen 将 Inst 当中[31:20]的值扩展为 Imm[31:0]，如下图

对于其他所有 I 格式算术指令( slti , sltiu , andi , ori , xori , slli , srli , srai)，只需更改 ALUSel 即可

Datapath for Loads

Add lw

R+I Arithmetic/Logic Datapath

All RV32 Load Instructions

Funct3 字段编码负载数据的大小和”符号性”

Datapath for Stores

添加 sw 指令

读取两个寄存器，rs1 为基内存地址，rs2 为待存储的数据，以及立即偏转值

Adding sw to Datapath

I+S Immediate Generation

• 只需要一个 5 位的多路复用器来选择立即数的低 5 位在指令中的两个位置之间。

• 立即数的其他位被连接到指令中的固定位置。

I 型和 S 型指令格式：

• I 型指令：立即数位于指令的[31:20]位。
• S 型指令：立即数被拆分为两部分，一部分位于指令的[31:25]位，另一部分位于[11:7]位。

多路选择器的作用：

• 图中的 5 位多路复用器（5-bit mux）用于在立即数的低 5 位的位置之间进行选择。具体来说：
  • 对于 I 型指令，立即数的低 5 位位于[24:20]位。
  • 对于 S 型指令，立即数的低 5 位位于[11:7]位。
• 该多路选择器根据指令类型选择正确的位置，将立即数的这 5 位提取出来。

其他位的处理：

• 立即数的其余部分，例如符号扩展（sign extension）等，按照固定的位置分配到指令的不同位中。对于符号扩展，立即数的最高有效位（第 31 位）通过符号扩展填充到最终的立即数中。

All RV32 Store Instructions

实现 Branches

RISC-V B-Format for Branches

Addding Branches to Datapath

Branch Comparator

Branch Immediates

done

JALR Datapath

JAL Datapath

U-Types

U-Format for “Upper Immediate” Instructions

Datapath With LUI, AUIPC

Lighting Up LUI

Lighting Up AUIPC