设计一个简易的处理器(3)--SEQ CPU的实现(1): 将指令组织成阶段

本文介绍SEQCPU的设计原理及Y86指令集的处理流程，详细阐述了SEQCPU的各组成部分与时序电路，并对Y86指令的执行阶段进行了分析。

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本文是介绍SEQCPU(Sequential CPU)的实现的第一篇,着重介绍如何将Y86的指令组织成阶段.

Y86/SEQ CPU

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"设计一个简易的处理器"的第一篇中,我介绍了一个简易的指令集系统Y86,这里的SEQ CPU使用的就是Y86指令集.

指令集详见(http://blog.youkuaiyun.com/dennis_fan/article/details/8226311).

需要指出的是, CPU是一个数字电路,由组合电路和时序电路组成.我们知道,组合电路没有状态,而时序电路是有状态的.特别的是,程序员的可见状态在硬件实现上就是一个一个的时序电路来完成的.

SEQ CPU的状态(时序电路):

这些时序电路随着时钟上升而更新.

SEQ CPU的组合电路:

指令处理阶段

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为了降低实现的复杂性,采用统一的框架,这样可以共用一些部件.我们将Y86的指令处理组织成如下几个阶段:

先大家只需要了解一下一条指令执行的要经历的阶段,后面会分析Y86的具体指令的执行过程.

需要注意的两点:

1.在统一框架下,每条指令都会经历以上所有阶段.

2.在SEQ/SEQ+里,各个阶段是顺序进行的,但一个阶段内的内容基本上(有例外,稍后再说)是并行执行的.

Y86指令的执行

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Y86的指令及其编码可以参看我以前的blog.

下面是各种指令处理的各个阶段,大家可以一扫而过,看我的分析结果,再对照着图就很容易理解.

看到上面的指令处理的各个阶段是不是天花乱坠啊.其实一点不复杂,因为使用的是统一的框架.总结起来就如下几点:

(1).首先要看指令到底要干啥,它的操作数是啥,明确数据流的方向.

比如opl, rrmovl, irmovl, cmovXX都不涉及到存储器,都是将Execute阶段中的执行结果valE给某个程序寄存器.(数据流方向: valE->程序寄存器).

比如mrmovl, popl的数据流方向是:存储器->程序寄存器.以为这肯定要从存储器中取出valM,再给这个程序寄存器.

比如rmmovl的数据流方向是:程序寄存器->存储器,肯定会写入存储器.

(2).写入程序寄存器的数据有两种来源,一种是valE(opl,rrmovl, irmovl, pushl, popl, call, ret,cmovXX),一种是valM(mrmovl, popl).

(3). pushl, popl, call, ret都涉及了"栈"(存储器),都会更新%esp(%esp+/-4:在执行阶段计算出来valE).将valE写回%esp.

(4). opl在执行阶段会设置CC, cmovXX, jXX在执行阶段会有一个判断逻辑.

(5).只有rmmovl, pushl和call需要写回存储器.

(6).统一处理的原则:在excute阶段,valA尽量不参与运算,使用valB参与运算;在memory阶段,都是valA参与运算(为了使得pushl和rmmovl统一处理).

(7).总结

阶段名	信号	注释
Fetch	icode:ifun rA, rB valC valP	Read instruction byte Read register byte Read constant D or V Compute next PC
Decode	valA valB	Read operand A Read operand B
Execute	valE Cond code	Perform ALU operation Set/Test Condition code register
Memory	valM	Memery read/write
Write back	dstE dstM	Write back ALU result Write back memory result
PC update	PC	Update PC