一、設(shè)計(jì)步驟

1.處理器設(shè)計(jì)的基本規(guī)范：指令

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包括處理器需要具有那些功能，需要注意的是處理器的功能是由指令唯一確定。

2.處理器設(shè)計(jì)方案（包括數(shù)據(jù)通路和控制器）

數(shù)據(jù)通路：指令執(zhí)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)所經(jīng)過(guò)的路徑，包括路徑中的部件。它是指令的執(zhí)行部件。

控制器：對(duì)指令進(jìn)行編碼，生成指令對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)通路的動(dòng)作。并且能對(duì)執(zhí)行部件發(fā)出控制信號(hào)。是指令的控制部件。

二、常見(jiàn)類型指令的數(shù)據(jù)通路

每種指令的介紹可以參考我上一篇博客關(guān)于RISC-V指令集介紹

這里的數(shù)據(jù)通路包括：R型，I型，S型，B型，J型指令

1.R型數(shù)據(jù)通路

首先了解個(gè)個(gè)部件：

PC：程序計(jì)數(shù)器，單周期就是就是每個(gè)周期執(zhí)行一條指令，每條指令執(zhí)行完 PC+4(32位)到下一條指令

IM：指令存儲(chǔ)器，我們寫(xiě)的一條條指令就放在指令存儲(chǔ)器中，通過(guò)PC來(lái)判斷取到了那一條指令。

RF:寄存器堆，R型指令包括三個(gè)寄存器 RS1,RS2,Rd。

ALU:運(yùn)算單元，輸入兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)，通過(guò)ALU運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)回到Rd中。

R型指令：寄存器對(duì)寄存器操作。數(shù)據(jù)通路運(yùn)行如下：通過(guò)clk控制pc從IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）中，從寄存器堆(RF)中取出數(shù)據(jù)送入運(yùn)算單元(ALU)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果重新存儲(chǔ)到寄存器堆(RF)中。

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I型數(shù)據(jù)通路

需要注意：我們是要設(shè)計(jì)一個(gè)支持多種指令的數(shù)據(jù)通路，因此I型不要有新的數(shù)據(jù)通路，而是要在R型指令的基礎(chǔ)上有一點(diǎn)小的改變實(shí)現(xiàn)。

首先講解I型指令：立即數(shù)與寄存器操作，或者訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作。兩者的區(qū)別在于訪存類指令是把存儲(chǔ)器中的值寫(xiě)回寄存器堆，而其他類型I型指令是把ALU運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)回到寄存器堆。

添加的部件

1.存儲(chǔ)器模塊(DM)：通過(guò)ALU計(jì)算出訪存地址，從存儲(chǔ)器中去除數(shù)據(jù)放入寄存器堆中。

2.立即數(shù)生成模塊（EXT）：從數(shù)據(jù)通路中提取出立即數(shù)。注意不同類型的指令立即數(shù)存儲(chǔ)格式不太一樣，這個(gè)在我指令集那一篇博客中有講解。

2.選擇器：兩個(gè)選擇器，一個(gè)是送入ALU中數(shù)據(jù)的選擇器，第二個(gè)是DM和ALU計(jì)算結(jié)果的選擇。

I型指令：立即數(shù)與寄存器堆操作。數(shù)據(jù)通路如下：通過(guò)clk控制pc從IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即數(shù)生成單元（EXT）中，從寄存器堆(RF)中取出數(shù)據(jù)與立即數(shù)生成單元（EXT）數(shù)據(jù)共同進(jìn)入運(yùn)算單元(ALU)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)選擇器直接（或者訪存，將內(nèi)存中數(shù)據(jù)）寫(xiě)回寄存器堆。

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S型指令數(shù)據(jù)通路

解釋：S型指令與訪存類指令其實(shí)是一個(gè)相反的過(guò)程，S型指令是把ALU結(jié)果存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器（DM）中去（S型指令不需要寫(xiě)會(huì)寄存器堆，也不需要增加其他模塊）。

S型指令：將rs2寄存器中的值存儲(chǔ)到rs1寄存器偏移立即數(shù)位地址中去。數(shù)據(jù)通路如下：通過(guò)clk控制pc從IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即數(shù)生成單元（EXT）中，從寄存器堆(RF)中取出數(shù)據(jù)與立即數(shù)生成單元（EXT）數(shù)據(jù)共同進(jìn)入運(yùn)算單元(ALU)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為寫(xiě)入DM的地址，而寫(xiě)入地址中的值是另一個(gè)寄存器中的值，具體可以觀察上圖數(shù)據(jù)通路。

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B型數(shù)據(jù)通路

B型指令主要是條件跳轉(zhuǎn)，滿足條件要經(jīng)行跳轉(zhuǎn)，這里跳轉(zhuǎn)實(shí)際上是PC指針的跳轉(zhuǎn)（可以想象C語(yǔ)言函數(shù)的調(diào)用），因此需要比較是否滿足條件，還有PC=（PC+立即數(shù)）或者（PC+4）。

添加的部件

CMP:比較部件，比較兩個(gè)寄存器中的值是否相等，是否滿足跳轉(zhuǎn)的條件。

兩個(gè)選擇器：一個(gè)是判斷PC=（PC+立即數(shù)）還是（PC+4）。另一個(gè)是判斷送入A（RS1寄存器中的值）還是PC的值進(jìn)入ALU。

B型指令：判斷兩個(gè)寄存器值關(guān)系（大于，小于，或者相等），滿足對(duì)應(yīng)指令條件，PC跳轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)通路：通過(guò)clk控制pc從IM中取指令，指令送入寄存器堆（RF）和立即數(shù)生成單元（EXT）中，判斷兩個(gè)寄存器中數(shù)據(jù)的關(guān)系，滿足條件PC跳轉(zhuǎn)到PC+立即數(shù)位置去，不滿足條件則不跳轉(zhuǎn)。

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J型數(shù)據(jù)通路

只增加了藍(lán)色的那一條線

這里很好理解，J型與B型的區(qū)別在于，B型是有條件跳轉(zhuǎn)，而J型則是無(wú)條件跳轉(zhuǎn)，同時(shí)J型需要把PC+4存儲(chǔ)到寄存器堆中。

J型指令：將pc+4存儲(chǔ)到rd寄存器中，同時(shí)pc跳轉(zhuǎn)到pc+立即數(shù)位置去。數(shù)據(jù)通路不在解釋，與上面類似。

改進(jìn)：這幾天思考我向pc+4和pc+立即數(shù)這樣的操作其實(shí)沒(méi)必要使用ALU來(lái)完成，不如直接使用一個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)上面的數(shù)據(jù)通路做了一個(gè)小的改變（主要是寫(xiě)代碼的是否變了）

總結(jié)

上文中主要講解了，RISC-V的數(shù)據(jù)通路基本部分，但是我們發(fā)現(xiàn)上面有很多的選擇器，而每個(gè)選擇器其實(shí)都要有對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，那這些控制信號(hào)怎么產(chǎn)生那？還有這么多條指令，有如何識(shí)別對(duì)應(yīng)的指令那？這就需要說(shuō)的另一個(gè)重要組成部分，控制器。它是負(fù)責(zé)給數(shù)據(jù)通路對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，同時(shí)判斷指令類型的。下一篇博客我將會(huì)講解我自己學(xué)習(xí)控制器的部分。

我對(duì)學(xué)習(xí)RISC-V踩過(guò)的坑：不要一上來(lái)就急于直接看代碼。學(xué)習(xí)RISC-V時(shí)，首先要理解RISC-V指令集，我的上一篇博客就是講解自己理解的一些基本指令集，接下來(lái)就是要學(xué)習(xí)各種指令類型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通路。接下來(lái)理解控制器。最后就是各各模塊的代碼編寫(xiě)了。后續(xù)我也會(huì)把自己各各模塊寫(xiě)入博客，期待大家的關(guān)注。

上文的數(shù)據(jù)通路也是我自己查資料，看視頻理解的，可能存在一些錯(cuò)誤，還望各位指點(diǎn)。

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標(biāo)題URL：http://m.rwnh.cn/article46/ddsihg.html

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