04 The Processor Pt1

1 Introduction

• 在指令进入寄存器模块前，不需要进行解码，因为 RISC-V 中不同指令的 rd, rs1, rs2 的相对位置完全一致，除了立即数，本图缺少了 ImmGen 模块。
• Contorl 信号控制所有的 MUX，以及模块的使能信号
• CPUTime 取决于频率和 CPI，Cycle 小可能导致 CPI 增大

2 Datapath

• Modify PC 是旁路，剩下五个是标准步骤，明确某种指令对应的最小需要单元
• Fetch inst mem
• Inst decoding & read operand，执行速度快，同步进行
• Executive Control, ALU operations
• Mem access，不是所有指令都需要访存，ld/sd
• Write to reg, R/I

2.1 不同指令使用的模块

2.1.1 Fetch

2.1.2 R-Type

• Read two reg operands
• Perform ALU operation, arithmetic/logical
• Write result to reg

• 注意 RISC-V 中 ALUop 是 4 bit 的，因为实现了更多功能
• reg 的信号要求
  • rs1, rs2
  • rd 信号保持
  • RegWrite = 1'b1

2.1.3 Load/Store

• Read reg operands
• Calculate address, use ALU, 12-bit offset, sign extened
• Read/Write reg/mem

• 由于内存访问开销较大，设计 MemRead 来避免不可控的访存
• ImmGen 的输入就是 inst，要针对不同类型的指令提取/重组立即数，并进行 sign extend

2.1.4 Branch

• Read reg operands
• Compare operands
  • ALU zero output
• Calculate target address
  • sign-extend displacement
  • shift left 1
  • add to PC value

• offset 左移是在电路里完成的，产生了 offset * 2 的效果，但是在写代码的时候不需要考虑，编译器会处理好
• jal 没有用到 ALU，因为不需要跳转条件，但是也用到了寄存器，因为保存了 return address

2.2 连线题

• ALUC 就是 ALUControl，将 fun7, fun3 单独解码有利于加快速度
• ALUop[1:0]
• 图中的ALUC 输出应该是 4-bit

• 图中rs1 连错了
• 图中 Sign extend 应该是ImmGen 模块
• 这张图错误太多了

改成 addi

• 将 ALU result 接到 reg write data
• 让 MemWrite MemRead 都为 0

• RegWrite = MemRead = 0, MemWrite = 1

• 图中 Sign extend 应该为ImmGen
• 图中右上角的 MUX 第一个输入应该为PC+4

• 这张图不完整，直接 loop 了，没有保存return addres
• 图中的 Sign extend 应该为ImmGen
• 应该为PC+4
• 无条件跳转不需要 ALU

2.3 Full Datapath

• 三个控制信号
  • ALUSrc 决定 operand2 是 rs2 还是 imm
  • PCSrc 决定 PC 是用 PC+4 还是跳转地址
  • MemtoReg 决定 reg write 用 mem 还是 ALUresult
• 五个步骤
  • inst fetch
  • decode & reg read
  • execute
  • mem
  • write to reg

2.4 不同指令的数据通路

• ALUSrc 只能取 Imm
• MemtoReg 这个 MUX 取任何值都可以，反正 RegWrite = 0

• PCSrc = Branch & ALU_zero

• jal 做了两件事情
  1. 将 PC+4 存入 rd，需要经过 MemtoReg，于是需要换成 2-bit 控制信号
  2. 跳到 PC+offset，不用经过 ALU
• ALUSrc, ALUOperation 可以随便选，ALU 输入输出没有任何影响

3 Control

3.1 控制信号 7+4

• 7+4 控制信号
  • 7 个单独的信号
  • 4 位 ALU 控制信号
• 图中ALU_zero 没有连接 PCSrc，当然 ALU_zero 也不属于控制信号

• 和书上不同，MemtoReg 应该是两位的
• 注意二级译码，ALUop 信号是 ALUController 二级译码产生的信号

3.2 完整的 control

• 一定要记住的一张图
• 这里使用了二级译码，control 输出的 ALUOp 是 2 位的
• 关于 X 的情况
  • sd, bep 都不写入寄存器，RegWrite = 0，所以 MemtoReg = don't care
  • jal 不需要主 ALU 的任何操作，所以 ALUSrcB = ALUOp = don't care
• Instruction memory & Data memory
  • 从处理器的视角，有利于提高吞吐量
  • 但是在实际内存中是共享的，只是缓存映射不一样

3.2.1 关于二级译码

3.3 更多分析题

CO_Ch4_Pt1, p.54

4 Conclusion

• 记住下面两张图