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):

  •  程序计数器(Program counter register, PC)
  • 条件码寄存器(Conditon code register, CC)
  • 寄存器文件(Register File)
  • 存储器(Memory)

这些时序电路随着时钟上升而更新.

 

SEQ CPU的组合电路:

  • 算术逻辑单元(ALU)
  • 控制逻辑(Control logic)
  • 读存储器(Memory reads):读指令寄存器,读寄存器文件,读数据寄存器.

 

 

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:

  • 取指(Fetch):从指令寄存器读取指令.
  • 译码(Decode):读取程序寄存器.
  • 执行(Execute): ALU计算结果(分为两种一种是计算值(用于更新程序寄存器),一种是计算存储器引用的有效地址).
  • 访存(Memory):读写存储器.
  • 写回(Write Back):写回寄存器文件.
  • 更新PC(PC update):PC设置成下一条指令的地址.

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.SEQ/SEQ+,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""(存储器),都会更新%esp(%esp+/-4:在执行阶段计算出来valE).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, pushlcall需要写回存储器.

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

 

 

疑点

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1. rrmovlexecute阶段本不需要运算,为什么要执行"valE = 0+valA"?

   :使用的是统一的框架,每条指令都必须通过每个阶段.这样做还有一个好处,减少信号传递的数量.写回都是通过valEvalM,而不需要valA.

 

2.为什么是mrmovl D(rB), rA而不是 mrmovl D(rA), rB?

   :统一处理 mrmvolrmmovl.这样保证了"execute阶段, valA尽量不参与运算,使用valB参与运算".

 

3. popl rAWrite back阶段需要写两个寄存器.这两个写应该是有次序的啊?

   :是的.为了保证"popl%esp"的语义同IA32一致,"R[%esp]<-valE"必须在"R[rA]<-valM"之前,这意味着按照只能在上升沿update的规则,就需要2cycles来执行(违反了原则)

 

4. pushl rA怎么没有问题?

    :由于在SEQ CPU.因为读取的值在某根信号线(指的是valA信号)上存在着.即便是"pushl %esp", %esp的值已经在valA信号线上了,只需要将valA的值写回存储器即可.

 

 

reference:

1. 深入理解计算机系统(原书第2版)

 

(版权所有,转载时请注明作者和出处-dennis_fan)

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