Build a CPU

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抽象化设计

建构一台电脑时，他要能执行所有指定ISA的指令，以MIPS来说，就要执行MIPS里面的所有指令，我们用底下的指令来建构电脑：

在建构之前，我们要先介绍一些基本零件

基本零件	说明
	Register file(暂存器的集合)：透过Register编号，我们可以读取或写入任何一个Register，MIPS 2000有32个32位元一般目的Register，因此需要5bits来指定Register，Register file可以同时读取2个即写入1个Register内容，另外还需要1bit的写入控制讯号来指定是否要写入Register。
	ALU：执行运算的零件，一次只允许2个32bits的运算元参与运算，并由4bits的ALU控制讯号决定运算的类别(add, sub, or...)，另外，ALU有一个1bit的zero indicator表示运算结果是否为0。
	Data Memory：提供资料储存的零件，提供位址输入口、资料输入口、资料输出口，另外还需要指定要写入还是读取的各1bit输入口。
	Instruction Memory：储存程序的零件，有一个32bits的指令输出口跟一个32bits的指令输入口，
	Adder：固定执行32bits加法并产上32bits结果的零件，虽然功能ALU也能做到，只是因为另外用一个零件执行比较省时间。它的用处在於(1)增加PC(program counter)的值到下一个指令，(2)计算branch指令的目的指令(target address)。
	Sign Extension Unit：用来将16bits有号数扩充成32bits有号数的零件，转成32bits是为了能够丢进ALU进行加法。
	Program Counter(PC)：32bits特殊目的Register，永远存放下一个要被执行的指令所在的记忆体位址。

单一时脉电脑资料路径的结构

现在我们知道了基本零件有哪些，接下来要做的事情，就是把一个一个执行程序的步骤组起来，最後再把每个步骤串在一起，会稍微有点难，不过一起努力ㄅ~

Instruction fetch

第一步我们要将执行程序的位址拿出来，所以需要PC纪录执行到哪里、Adder将指令位置往後推、Instruction Memory取得指令的内容。

组合的结果如下图：

每次将PC加4(因为一个指令32bits = 4bytes，所以指令位置4个4个一组)。
PC接入Instruction Memory。
Adder的结果送回PC。

R-type指令资料路径

R-type读取两个Register的值，进行运算後存回去一个Register，所以我们需要Register file存取数值、ALU计算数值。

组合结果如下图：

取得Instrucion後，将三个Register号码输入。
可以得到两个数值，丢进去ALU计算。
将结果丢回Register file中。

载入指令资料路径(load word)

载入指令是将指定的Memory Address资料复制到指定的Register中，而且Address是将Register的资料加上某个常数，另外要把16bits的常数extend成32bits才能进去ALU进行运算。

所以我们需要Register file得到资料、ALU计算记忆体位址、Data Memory获取记忆体资料，另外需要Sign extend扩充成32bits。

组合结果如下图：

得到指令後，将Register资料读出来(target Register、base memory address)，常数丢入Sign extension Unit。
运算结果丢入Data Memory得到数值。
将数值丢回Register。

储存指令资料路径(store word)

跟载入指令相似，只不过是将Register的内容丢进Data Memory中，所以我们需要的东西跟载入指令相同。

组合结果跟载入指令一样：

不同的点在於Memory的资料不用回到Register file中。
并且Read data 2的资料要送进Memory

相等分支指令资料途径(branch on equal)

如果两个Register的资料相同，就要跳到指定的位置执行指令，所以要将常数extend之後丢到Adder中，改变PC的数值，需要的零件会有Register file、ALU比较是否相等、Sign Extension Unit扩充位元、Adder计算PC位址。

组合结果如下图：

比较结果後传送到branch control logic，由他决定是否要选择常数加入PC

Combine

比较麻烦的是加入Control之後需要的说明很多，不过基本上就是那些决定Read, Write, ALUop或是决定要用哪个来当作输入时，都需要经过一个选择器或是由Control Unit决定，经过层层组合後，整个CPU的样子就会像这样：

蓝色的线代表Control的部分，其他黑色的深浅不重要，只是图片在叙述不同的重点而已。

稍微有点难理解，我们可以将每个步骤要做的事情放进去图上看，就会发现它满足了每一个需求了，能够自己画出这张图的话，相信对这个章节已经理解不少了。

下回预告

在这边我们把CPU的datapath画出来了，只是为了增加它的效能，我们会需要在中间设立像是储存点的东西，才能让一个一个指令接连进入，也就是Pipeline。

如果觉得这回已经够地狱的话，下回会再恐怖一些，嘎油馁~