一步步分析MIPS數據通路

R型指令CPU數據通路：

此時的控制信號有：ALU_OP , Write_Reg。

如何確定單周期CPU完成指令的過程？

分析時序電路和組合邏輯：時序電路（需要clk，可以從圖上看到clk有四處）：指令存儲器的讀操作、PC值更新、寄存器寫操作、標志寄存器的更新。 組合邏輯（不需要clk）：寄存器讀操作、ALU運算。

設計時序：clk上升沿，啟動指令存儲器依據PC讀出指令；

clk高電平（組合邏輯操作）：PC自增、指令譯碼、寄存器讀、ALU運算。

Clk下降沿：目的寄存器的寫入、PC值更新、標志寄存器更新。

從圖中可以看出，紅框為clk產生處，只有指令存儲器的取指令部分是正的clk，PC的自增、標志寄存器的更新、寄存器堆的寫入都是clk#，故可以從圖中獲得設計的信息。

數據通路（通過一條指令來說明）：（clk上升）使用當前PC寄存器的值取出一條指令

（clk高電平）指令送到IR寄存器，分段直接送往譯碼單元和寄存器堆，獲得ALU_OP和Write_Reg信號。ALU接收到ALU_OP對兩個讀出的數據進行運算，同時計算標志寄存器的值。

（clk下降沿）同時激活PC自增、目標寄存器的寫入、標志寄存器的更新，根據高電平生成的控制信號來確定是否寫入。

添加I型指令后的數據通路：

? 首先確定為什么要修改和要修改什么？I型指令不像R型只能完成算術運算，其作用更多是用于數據傳輸、分支（轉移）、訪存。訪存決定了需要增加到存儲器的數據通路。分支跳轉決定了需要有對PC進行修改的手段。同時，I型指令格式的不同也代表要對指令寄存器IR指令分段時的結構進行修改。

? 由于引入了立即數（偏移量）字段，其指令格式從655556（前三個5是寄存器）的分段變成了655 16的形式。只有兩個5，因此目的寄存器從原先的第三個5變成了第二個5.添加了控制信號rd_rt_s（1時W_Addr變成rt，否則仍然是rt）來修改W_Data，以控制寫入位置寫入的寄存器。同時由于要同時兼容R型和I型指令，故把數據的[5:0]同樣作為func輸入譯碼，而[15:0]作為立即數imm。為了確定立即數的擴展方式，添加了控制信號imm_s（1則符號擴展，0則0擴展，可以看出新手段往往用1來控制，且命名格式也有規律）。現在，只有兩個寄存器，一個作為源、一個作為目的。那么要進行I型指令的運算，另一個源操作數就是擴展后的imm了。于是，添加rt_imm_s（1則imm，0則rt（這里其實指代的是R型指令下rt指向的數據））作為ALU的第二個輸入。

? 還需要解決的問題就是和存儲器的交互。在sw（在rs寄存器加上偏移量后指向的地址中寫入rt的數據）和lw（取出rs寄存器加上偏移量后的地址指向的數據，再放回到rt寄存器中，因此W_Addr為1）指令中，上面的imm會作為偏移量offset來使用，因此此時imm_s 和rt_imm_s信號都應該置為1（是的，是符號擴展）。通過ALU運算之后，獲得需要存放（sw）或者取數（lw）的地址。為了能夠表示讀還是寫入，增加Mem_Write信號（0時為讀時為寫）。如果是讀出數據，那么就要寫回到寄存器堆中，由于R型指令（或者I型中的立即數算數指令）是直接把ALU的結果寫回寄存器堆，為了控制寫回的是哪一數據，添加alu_mem_s信號（0為alu數據，1為存儲器mem讀出數據）。注意，讀可以當作組合邏輯看待（高頻時鐘），寫需要clk（具體看題目中的clk）。

? 數據通路：以sw為例

? （clk上跳沿）指令存儲器利用PC讀取指令

? （clk高電平）指令分段、譯碼、運算（具體過程同R型）

? （clk下跳沿）同時激活PC自增、目標寄存器的寫入、標志寄存器的更新。將運算結果寫入存儲器。

添加轉移指令后的數據通路

? 轉移指令主要修改的部件是PC，典型指令有jr（R型指令，無條件跳轉），beq（I型指令相等跳轉），jal（J型指令，無條件跳轉，且當前PC值要存入ra寄存器（一般是堆的高處））。

? 此處插播子程序調用知識：主程序CALL調用子程序，把PC+4放到堆棧，把新的地址置給PC，運行到RET指令，把堆棧中的PC+4還給PC，然后繼續運行。

? 上圖中紅色部分是修改的部分。PC的來源從PC_new擴展到了rs（jr指令）、PC+4+offset<<2（beq）、PC+4高四位和指令低26位左移兩位拼接。因此需要4選一。

? Jr指令的源寄存器應該寫為31，因此需要把rd_rt_s改成w_r_s中，添加2作為31號寄存器的地址。同時，由于要把PC+4的值寫入寄存器堆，alu_mem_s改名為wr_data_s需要擴展一個2接收PC_new 。

條件轉移中PC_s的兩種情況:分別對應著轉移和不轉移。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一步步分析MIPS数据通路（单周期）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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