计算机组成原理(10): CPU基本设计之三——ALU指令的获取和解码

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ALU指令的执行过程

32-bits(4-bytes)ADD指令格式如下：

需要硬件做如下的事情：

• 提取（FETCH）：在当前周期读入32位指令，由程序计数器PC指定。
• 解码（DECODE）：解码指令中的[31:26] 位的操作码（ADD、SUB、XOR、…等）， [25:21]位指定的目的寄存器，[20:16] 、[15:11] 位分别指定的源操作数所在的寄存器、 ；用于数据路径的控制信号。
• 读取（READ）操作数：从寄存器文件中的寄存器、 读取操作数
• 执行（EXECUTE）操作：进行相应的操作，并为程序计数器PC计算下一个值。
• 写入（WRITE-BACK）：将操作结果写回寄存器文件中的寄存器。

系统的时钟信号连接寄存器文件和PC寄存器，在时钟的上升沿将写入在执行阶段计算的新值。因此时钟上升沿标志着当前指令的执行结束，并且使下一条指令执行的开始。

时钟周期，即时钟上升沿之间的间隔时间需要足够长以适应上述5个步骤的逻辑的累计传播延迟。

由于每个时钟周期执行一条指令，因此时钟频率告诉我们执行指令的速率。举个例子，若时钟周期是10ns，则时钟频率为100Mhz，我们的Beta的最大性能就是100MIPS。

指令的获取和解码（Instruction Fetch/Decode）

使用程序计数器 来提取下一条指令。这里有一个草图，显示了提取和解码步骤所需要的硬件。

• 使用PC作为指令内存的地址，PC的值就是当前指令的地址
• 使用了2路MUX，用信号Reset控制，提过了复位机制。当RESET=1，初始化PC的值，当RESET=0，产生新的PC。
• PCPC+4，将PC加4，在下一个时钟周期的上升沿，其值进入PC寄存器，作为下一条指令的地址。
• 从指令内存读取指令：直接使用指令中的一些域（寄存器代码,16-bit常数）；使用[31:26]产生控制信号。

下面就让我们逐步实现所有ALU指令的数据路径的逻辑电路。