多周期数据路径和控制

概述：

多周期数据路径将指令分解为单独的步骤。它减少了平均教学时间。每个步骤需要一个时钟周期每个功能单元可以在一条指令中多次使用，只要它在不同的时钟周期中使用即可。它减少了所需的硬件数量。

(一) 取指令：

通过向存储器提供相应给定指令的地址，将存储在存储器中的指令取出到CPU的控制单元中。

假设每条指令都存储在一个字中，每个字有 4 个字节，所以我们可以在这里声明内存是字节可寻址的。
我们知道，程序计数器（PC）包含下一条指令的地址。

IR <= [[PC]] , PC <= [PC] + 4

编程需要懂一点英语

（二）解码（解释指令）：

处理器的控制单元对指令进行解码，以便找到执行相应指令所需的操作序列。

读取操作码以确定指令的类型和字段长度。
然后，从所有必要的寄存器中读入数据。

例子：

A <= Reg [IR [25:21]]; // Register rs in opcode (instruction part)

B <= Reg [IR [25:21]]; // Register rt in opcode (instruction part)

编程需要懂一点英语

(III) 执行、内存地址计算或分支指令：

例子：

Memory Reference : ALUout   <=   A + sign-extend ( IR[15:0] )
Branch : if (A == B)   PC  <=  ALUout     // Conditional , it will calculate PC= Register + Branch Address
Jump :  PC  <=  PC [ 31:28 ] . ( IR [25 : 0] << 2 )    //// unconditional

(IV) 内存存取/R型指令完成步骤：

例子：

Memory Reference:  MDR  <=  Memory [ALUout ];    // LOAD  or  Memory [ALUout ]  <=  B;    // Store from register to memory
Arithmetic Logic Instruction (R-type) :  Reg [ IR[15:11]]  <=  ALUout ;      // register destination in opcode

(V) 内存读取完成步骤（寄存器写入）：

大多数指令将某些计算的结果写入寄存器。
示例：算术、逻辑、移位、负载等。负载：Reg [ IR [20:16]] <= MDR
存储、分支、跳转最后不写入寄存器，它们保持空闲。

例子：

Q1。找到数据路径和控制（执行序列）的阶段
添加R1，R2，R3；
这意味着 R3 <– R1 + R2

解决方案：给出指令 – 添加 R3、R1、R2；

阶段 1：获取指令并增加程序计数器。
第 2 阶段：解码以确定它是 ADD 指令，并读取寄存器 R1 和 R2。
第 3 阶段：添加在第 2 阶段检索到的相应两个值。
第 4 阶段：空闲（没有内容可写入内存）
阶段 5：将阶段 3 的结果写入寄存器 R3。

Q2。找到数据路径和控制（执行序列）的阶段
移动 30 (R1), R2;
这意味着 [30 + R1] <– R2

解决方案：给定指令 – MOV 30 (R1), R2;

阶段 1（取指）：取指令并增加程序计数器。
第 2 阶段（解码）：解码找到相应的指令是 MOV 和，读取寄存器 R1 和 R2
第 3 阶段（执行）：将 30 加到相应寄存器 R1 中的值。
第 4 阶段（内存访问）：将寄存器 R2 中的值写入在第 3 阶段计算的内存地址。
第 5 阶段（寄存器写入）：这一步是空闲的（寄存器中没有写入内容）