第12章 简单RISC处理器设计

简单RISC处理器设计专用处理器和通用处理器专用处理器通用处理器针对某一特定任务可针对任务进行优化执行各种任务的程序可编程处理器也可以看作是一个专用处理器它只完成一个特定的任务：执行程序指令对处理器编程可以做几乎任何事情冯·诺伊曼结构哈佛结构CISC处理器和RISC处理器指令集：处理器所能执行的指令的集合指令集结构：指令机器码编码的格式、寄存器集以及寻址方式共同构成在计算机系统中，要执行的任务通常被分解为一条条指令CISC处理器指令长度不统一指令功能强大，能执行复杂运算寻址模式复杂统一的指令长度指令的格式少寻址模式少使用大量寄存器Load/Store结构RISC处理器RISC处理器基本结构—数据通路最后产生的输出数据再从寄存器保存到数据存储器数据先从数据存储器中读入到寄存器内功能单元从寄存器中读取操作数进行运算，运算结果再存回寄存器，是寄存器-寄存器结构RISC处理器基本结构—数据通路Load操作ALU操作store操作load-store结构RISC处理器基本结构—控制通路指令执行的三个阶段：取指（fetch）：控制单元把当前指令读取到指令寄存器IR（InstructionRegister）。当前指令在指令存储器中的地址保存在程序计数器PC（ProgramCounter）中译码（decode）：控制单元分析（译码）这条指令要求做什么操作或运算执行（execution）：控制通路产生相应的控制信号来控制数据通路执行指令要求的操作程序计数器PC：指令的推进指令寄存器IR：指令暂时保存RISC处理器基本工作方式例：执行一个简单的任务，把数据存储器中的数据X和数据Y相加，把结果写入到数据存储器中数据Z的位置，即计算Z=X+Y把数据存储器中的数据X加载到寄存器堆中的寄存器R0，记为：R0=X把数据存储器中的数据Y加载到寄存器堆中的寄存器R1，记为：R1=Y把寄存器R0和R1中的数据相加，结果保存到寄存器堆中的寄存器R3，记为：R3=R0+R1把寄存器R3中的数据保存入数据存储器中数据Z的位置，记为：Z=R3R0=XR1=YR3=R0+R1Z=R3程序简单的三指令处理器设计指令集LDR目的寄存器dst，源存储单元地址mem_addrSTR源寄存器src，目的存储单元地址mem_addrADD目的寄存器dst，源寄存器src1，源寄存器src2LDR指令：0001STR指令：0010ADD指令：0011操作码机器码和汇编程序例：计算Z=X+Y机器码汇编程序程序地址程序（汇编程序）编码（机器码）0LDRR0,&20H00010000001000001LDRR1,&21H00010001001000012ADDR3,R0,R100110011000000013STRR3,&22H0010001000100011汇编器数据通路设计设计各部分的控制信号寄存器堆（RegisterFile）算术逻辑运算单元ALU多路选择器数据存储器控制通路设计执行指令需要经过复位、取指、译码和执行4个步骤不同的指令在执行时需要完成不同的操作IR=IM[PC]PC=PC+1PC=0多周期实现固定周期实现三指令处理器Verilog模型指令存储器：256×16-bit数据存储器：256×16-bit寄存器堆：16个16-bit寄存器，两个读端口，一个写端口固定周期实现指令集扩展扩展指令集，增加跳转指令、常数加载指令和算术运算指令等，使之能完成更复杂的任务LDCdst，constJPEZcreg，offset指令集扩展扩展指令集，使之能完成更复杂的任务

指令操作码指令的操作load/store指令LDRdst，addr0001RF[dst]=DMEM[addr]STRsrc，addr0010DMEM[addr]=RF[src]LDCdst，const1110RF[dst]=const算术逻辑运算指令ADDdst，src1，src20011RF[dst]=RF[src1]+RF[src2]SUBdst，src1，src20100RF[dst]=RF[src1]-RF[src2]ANDdst，src1，src20111RF[dst]=RF[src1]ANDRF[src2]ORdst，src1，src21000RF[dst]=RF[src1]ORRF[src2]跳转指令JPEZcreg，offset1001IfRF[creg]=0thenPC=PC+offset数据通路增加能够完成指令功能的单元修改数