通过RISC存储程序机理解数据通路控制器设计

RISC存储程序机

RISC存储程序机SPM，该电路的程序和数据存储在存储器中。该电路有三个部分控制器、处理器（数据通路）和存储器。通过流水线设计（用寄存器打断）实现同时的指令获取、译码和执行。

结构框图如下：

1.处理器

处理器部分包括寄存器（包括四个通用寄存器，Program Counter,Instruction Register、地址寄存器add_R等）、ALU、复用器、数据通路等。

上图中标出了数据流动的路线，寄存器赋值、复用器选择受到外部控制信号作用。

2.ALU

ALU中的运算指令：

ADD 求和,

SUB 减法,

AND 按位与,

NOT取反

3.控制器

上图(figure 7-10)中左边是controller，RISC机的所有操作都受控制器控制，控制器根据当前的指令将各个控制信号给到处理器和memory。

控制器的设计依赖于ALU的性能、数据通路资源和可用时钟方案。

控制信号	操作
Load_Add_flag	加载地址寄存器
Load_PC	将Bus_2上的内容写到PC
Load_IR	加载指令寄存器IR
Inc_PC	PC加一
Sel_Bus_1_Mux	选择Mux_1的驱动源
Sel_Bus_2_Mux	选择Mux_2的驱动源
Load_R0	加载R0
Load_R1	加载R1
Load_R2	加载R2
Load_R3	加载R3
Load_Reg_Y	将Bus_2的内容写到Reg_Y
Load_Reg_Z	将ALU的输出写入Reg_X
Write	将Bus_1的内容写入memory

4.指令集

RISC机根据存储器中的指令序列进行操作，那么就必须预先定义好指令集内容。本次中的指令有一个字节的也有两个字节的，如下图所示

对于单字节指令，前四位是指令的操作吗，后四位是源寄存器地址和目的寄存器地址。

对于双字节指令，前四位是指令的操作码，后四位是源寄存器地址或目的寄存器地址，由指令类型决定；第二个字节给了操作数在存储器中的地址。

所有指令如下：

单字节指令

NOP：不执行任何操作，寄存器保持原值，源目的地址无效

ADD：源和目的寄存器中的内容相加，将结果保存到目的寄存器

SUB：源和目的寄存器中的内容相减，将结果保存到目的寄存器

AND：源和目的寄存器中的内容按位与，将结果保存到目的寄存器

NOT：源寄存器内容取反，保存到目的寄存器
双字节指令

RD：从第二个字节（地址）指定的存储单元位置取出数据存到目的寄存器，忽略源寄存器

WR：将源寄存器的数据取出存到第二个自己指定的存储单元位置，忽略目的寄存器

BR：从第二个字节指定的存储单元的内容存入PC，实现分支跳转，忽略源和目的寄存器

BRZ：当零标志位有效的时候，从第二个字节指定的存储单元的内容存入PC，实现分支跳转，忽略源和目的寄存器

下面给出每条指令的编码：

5.控制器设计

根据指令定义状态机的状态，根据译码结果实现状态的跳转。

该RISC机指令的执行分成三个阶段，取指、译码和执行。取指阶段分成两个周期，第一个周期加载地址寄存器Add_R，第二个周期从存储器中将指定地址处的内容取出给到指令寄存器IR。译码阶段一个周期完成。执行阶段根据不同指令类型分为0、1、2个周期，其中NOT指令可在译码周期内完成，单字节指令如ADD在一个周期内完成计算并将结果写入目的寄存器，其中源寄存器在译码阶段加载。双字节指令，如RD，需要两个周期，第一个周期将指令的第二个字节载入地址寄存器，另一个周期从指定的存储器单元位置读取数据写到目的寄存器。

根据上面分析，可以分成如下11个状态，需要两个周期的阶段有两个状态。

各个状态

各状态名	描述
S_idle	复位后进入该状态，不执行任何操作
S_fet1	将PC值加载到地址寄存器Add_R，（复位操作会将PC值初始化位其实地址），复位无效后的第一个有效时钟进入该状态；NOP指令译码结束也进入该状态
S_fet2	将地址寄存器指定地址中的内容载入到指令寄存器，并将PC值加一
S_dec	对IR的内容译码，产生一些数据通路和寄存器的控制信号，控制状态的跳转。如果是双字节指令，需要加载地址寄存器
S_ex	单字节指令执行ALU操作，设置零标志位，将结果存入目的寄存器
S_rd1	将RD指令第二个字节从memory中加载到地址寄存器，PC+1
S_rd2	将S_rd1状态指定的存储器位置取出数据存入目的寄存器
S_wr1	将WR指令第二个字节从memory中加载到地址寄存器，PC+1
S_wr2	将源寄存器的内容村早S_wr1状态指定的存储器单元位置
S_br1	将BR指令第二个字节从memory中加载到地址寄存器，PC+1
S_br2	将S_br1指定的存储器单元地址存到PC
S_halt	发生指令异常，进入默认状态