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6_ID+[10:6]Shamt_IFShamt_ID[15:11]Rd_IFRd_IDPCWrite[20:16]Rt_IFRt_IDALUOut_EX[0][25:21]Rs_IFRs_ID4PCSrc_IFIF/PCSrc_IDRegDst_IFIDRegDst_ID0BranchRegWr_IFRegWr_ID1ConBA_EX1ALUSrc1_IFALUSrc1_ID2ALUSrc2_IFALUSrc2_ID{PC[31:28,JT_EX,00]}PCwaitingPCInstructionIn_IFInstructionEXTop_IFEXTop_IDPCDFFLUop_IFLUop_IDRegjumpSign_IFSign_ID4MemRd_IFMemRd_IDILLOPMemWr_IFMemWr_IDXADR5ALUFun_IFALUFun_IDMemToReg_IFMemToReg_IDDataBusA_EX0IDstallDataBusC1RegjumpDataBusC_MEM2ForwardC:..IDPctemp_IDPctemp_EXXpRaRt_IDRd_IDImm32_IDImm32_EXRd_IDRd_EXRt_IDRs_IDALUSrc1_IDRt_ID3210Rs_IDRs_EXRegDst_IDPCSrc_IDPCSrc_EXShamt_ID1AddC_IDAddC_EXAddrC_IDAddrBAddrAnum1_IDDataBusA_IDJT_IDJT_EXRegWr_WBWrCReadDataA0RegWr_IDRegWr_EXSign_IDID/Sign_EXMemRd_IDEXMemRd_EXDataBusB_IDMemWr_IDMemWr_EXDataBusCWriteDataCReadDataB0ALUFun_IDALUFun_EXnum2_IDWrCMemToReg_IDMemToReg_EX1num1_IDnum1_EXnum2_IDnum2_EXDataBusA_IDDataBusA_EX{Imm16_ID,16'b0}1ALUSrc2_IDDataBusB_IDDataBusB_EXImm_IDALUSrc1_IDALUSrc1_EXImm32_ID0Imm16_IDEXT32ALUSrc2_IDALUSrc2_EXLUop_IDEXTop_IDEXDataBusB_EX0DataBusC1storeDataBusC_MEM2ForwardAPCtemp_EXPCtemp_MEMALUFun_EXForwardDPCSrc_EXPCSrc_MEMnum1_EX0Sign_EXAddrC_EXAddrC_MEM1ALUnum1DataBusCRegWr_EXRegWr_MEMDataBusC_MEM2MemRd_EXEX/MemRd_MEMALUALUOut_EXMEMemWr_EXMMemWr_MEMnum2_EX0ALUnum2MemToReg_EXMemToReg_MEMDataBusC1ALUOut_EXALUOut_MEMDataBusC_MEM2DataBusA_EXDataBusA_MEMForwardBstoreDataBusB_MEMPCtemp_EX+Offset_EXConBA_EXImm32_EXShiftLeft2bitsMEMstall:..MEMWBALUOut_MEMAddrPCtemp_MEMPCtemp_WBALUOut_WB0ReadReadData_MEMDataBusCAddrC_MEMAddrC_WBReadData_WB1DataDataBusB_MEMWriteRegWr_MEMMERegWr_WBPctemp_WB2DataM/MemToReg_MEMWBMemToReg_WBMemToReg_WBALUOut_MEMALUOut_WBMemRd_MEMMemWr_MEMReadData_MEMReadData_WBPCSrcALUOut_MEM0PCWriteReadData_MEM1Pctemp_MEM2EXstallRiskMemToReg_MEMRedColourMEMstallForwardAForwardBForwardCForwardD1、系统综述5个阶段完成IF,ID,EX,MEM,WB。Branch与跳转在EX阶段判断并且执行,并且有必要时清空ID与IF中断与异常在IF阶段判断流程说明:->0x80000000(控制信号使维持该地址,该地址中存储跳转到0的jalr指令)=1之后在clk上升沿(1)定时器操作,写入TH,TL,TCON(2)读取操作数并且计算最大公约数写入结果寄存器(3)遇到中断操作:&=|=0x00000002重新开始计数:..jalrXp、中间参数说明1)ILLOP=0x80000004,为发生中断时,中断处理程序的PC地址,处于内核态。2)XADR=0x80000008,为发生异常时,异常处理程序的PC地址,处于内核态。3)Xp=26,为ILLOP与XADR中中断/异常处理程序调用,用来存储返回地址,即发生异常/中断的PC值。4)Ra=31,为返回值存储器,应用于jr,jalr指令,跳转到寄存器中所存的PC地址。5)Instruction截取部分:a)寄存器:Rs=Ins[25:21];Rt=Ins[20:16];Rd=Ins[15:11];b)Shamt=Ins[10:6]应用于sll,srl,sra三条指令c)Imm16=Ins[15:0]应用于lw,sw,lui,addi,addiu,andi,slti,sltiu,beq,bne,blez,bgtz,bgez这些I型指令d)JT,应用于j型指令j与jal,JT=Ins[25:0]<<2,保存跳转地址,由于地址为32位,JT仅28位,由本题地址特殊性高位接4’b0000,表示在外部。6)ConBA为条件分支跳转地址,ConBA=PC+4+Offset<<2。3、控制信号说明(后缀表示该信号所处的阶段)1)PCSrc,3位,6种有效取值。PCSrc000(缺省)0010**********PC更新值PCtemp_IF分支见2JT_EXRegjumpILLOPXADR详细说明:PCSrc生成于冒险控制单元000时为默认PC更新为PCtemp_IF,即处于IF阶段的PC+4,应用于不需要跳转的各条指令。:..001时进入条件分支,满足条件PC=ConBA_EX(在EX阶段计算为PCtemp_EX<<2+Offset,如果跳转则清除IF,ID),不满足时PC=PCtemp_IF(考虑EX判断branch,ID,IF已经进入下两条指令,所以不跳转是应该进入IF的下一条指令),应用于各种branch指令。010时PC更新为无条件跳转地址,PC=JT_EX(于EX阶段判断,清除IF,ID阶段指令),应用于j,jal指令。011时PC更新为寄存器跳转,PC=Regjump(寄存器跳转值,详见冒险控制单元介绍),应用于jr,jalr指令。(于EX阶段判断)100,101分别为中断与异常时的跳转地址。2)ALUout_EX[0],1位信号(是否跳转判断)Zero0(缺省)1条件分支PC更新PCtemp_IFConBAALUout生成于EX阶段(不传递)0时不满足分支条件(branch下ALU输出为0),1时满足分支条件。3)RegDst信号,控制寄存器堆写入地址RegDst00011011AddrCRdRtRaXp详细说明:RegDst生成于控制信号产生模块,不传递RegDst用来生成写入寄存器的地址AddrC,于ID阶段生成传递到WB阶段写入。00时写入Rd,应用于所有R型指令,唯一例外jr指令,R型指令不需要写入,但是jr指令Rd段为5’b00000,即令写入为$0。01时写入Rt,应用于部分需要写入的I型指令(配合RegWr=1)有lw,lui,addi,addiu,andi,slti,sltiu,以及部分不需要写入的I型指令(配合RegWr=0)有sw,:..beq,bne,blez,bgtz,bgez。10时写入ra,应用于跳转链接指令jal11时写入Xp,应用于异常/中断时,写入异常/中断处的最终执行完的下条指令4)RegWr,1位信号,寄存器堆写入使能信号,1时可写,缺省0不写入RegWr生成于IF的控制信号生成模块,传递到WB阶段R型指令(jr时配合rd写入到$0不影响),需写入的I型指令lw,lui,addi,addiu,andi,slti,sltiu,需写入的j型指令jal(jalr使用R型指令方法写入)。5)ALUSrc1,1位信号,ALU第一操作数选择控制信号。(需在经过冒险控制多路选择器)ALUSrc101ALU第一操作数DataBusAshamt详细说明:ALUSrc1生成与IF的控制信号生成模块传递至EX阶段0时第一操作数来自寄存器应用于所有非偏移操作1时第一操作数来自R型中shamt部分,应用于偏移操作sll,srl,sra6)ALUSrc2,1位信号,ALU第二操作数选择控制信号。(需在经过冒险控制多路选择器)ALUSrc201ALU第二操作数DataBusBImm/Offset操作结果详细说明:ALUSrc2生成与IF的控制信号生成模块传递至EX阶段0时第二操作数来自寄存器,应用于所有R型指令与J型指令(无效操作)1时第二操作数来自I型中Imm部分的某种计算结果,应用于I型指令,另有EXTop与LUop两个某种计算的控制信号配合操作。7)EXTop,扩展方式选择信号EXTop0(缺省)1扩展方式无符号扩展有符号扩展:..详细说明:EXTop生成于IF的控制信号生成模块传递至ID阶段0时对Imm/Offset无符号扩展,应用于unsigned的I型指令,addiu,sltiu1时对Imm/Offset有符号扩展,应用于非unsigned的I型指令8)LUop,Imm计算方式选择控制信号EXTop0(缺省)1输出结果用之前扩展结果取立即数高位详细说明:LUop生成于IF的控制信号生成模块传递至ID阶段0时将Imm扩展结果作为ALUSrc2选择输入中的一路。1时取立即数高16位与16位0拼接作为ALUSrc2选择输入中的一路,应用于lui指令。9)ALUFun,6位控制信号,控制ALU计算功能类型功能ALUFun描述算式ADD000000S=A+BSUB000001S=A-B位运算AND011000S=A&BOR011110S=A|BXOR010110S=A^BNOR010001S=~(A^B)“A”011010S=A移位运算SLL100000S=B<<A[4:0]SRL100001S=B>>A[4:0]SRA100011S=B<<a[4:0]算术移关系运算EQ110011If(A==B)S=1elseS=0NEQ110001If(A!=B)S=1elseS=0LT1101101If(A<B)S=1elseS=0LEZ111101If(A<=0)S=1elseS=0GEZ111001If(A>=0)S=1elseS=0GTZ111111If(A>0)S=1elseS=0ALUFun生成于IF的控制信号生成模块传递至EX阶段:..10)Sign,ALU运算是否有符号运算控制说明Sign0(缺省)1计算方式无符号计算有符号计算详细说明:Sign生成于IF的控制信号生成模块传递至EX阶段0时ALU进行无符号计算,应用于unsigned计算addu,subu,addiu,sltiu1时ALU进行有符号计算,应用于正常有符号运算除了上述4种指令之外的计算指令。11)MemRd,读取内存控制信号MemRd0(缺省)1结果不读取,ReadData输出全0读取内存,ReadData输出为该地址内容MemRd生成于IF的控制信号生成模块传递至MEM阶段1时应用于需要读取内存的指令lw12)MemWr,写入内存控制信号MemWr0(缺省)1结果不写入写入内存,将输入内容写入输入地址MemWr生成于IF的控制信号生成模块传递至MEM阶段1时应用于需要写入内存的指令sw13)MemToReg,2位控制信号,3个有效输入MemToReg000110输出ALUOutReadDataPCtemp_所处阶段详细说明:MemToReg生成于IF的控制信号生成模块传递至WB阶段00时为应用于R型指令以及不需要读取内存且需要写入内存的I型指令01时应用于将内存中读取内容写入寄存器的指令lw10时应用于需要将PC值写入到寄存器的指令jal,jalr,以及中断或异常时将PC:..写入Xp的操作。4、冒险控制单元说明?转发主要判断MEM与WB阶段写入地址AddrC_MEM与AddrC_WB与EX阶段使用寄存器地址是否相同(且是否使用),决定是否转发。(1)ALU第一操作数的转发,控制信号ForwardA控制代码如下:if(RegWr_MEM&&(AddrC_MEM!=0)&&(AddrC_MEM==Rs_EX)&&(~ALUSrc1_EX))ForwardA<=2'b10;elseif(RegWr_WB&&AddrC_WB!=0&&AddrC_WB==Rs_EX&&(~ALUSrc1_EX))ForwardA<=2'b01;elseForwardA<=2'b00;其中先要判断MEM与WB阶段写入的是否是$0寄存器(由于$0寄存器恒零不允许转发),然后判断先后判断MEM与WB阶段写入地址是否与Rs_EX相同并且ALUSrc1_EX是否为0(表示num1选择就是Rs中读取的内容),由于MEM的指令后运行,所以可能产生对于WB写入的覆盖,所以优先判断MEM阶段,均不符合情况ForwardA为00。ForwardA000110ALUnum1num1DataBusC_WBDataBusC_MEM(2)ALU第二操作数的转发,控制信号ForwardB控制代码如下:if(RegWr_MEM&&(AddrC_MEM!=0)&&(AddrC_MEM==Rt_EX)&&(~ALUSrc2_EX))ForwardB<=2'b10;elseif(RegWr_WB&&AddrC_WB!=0&&AddrC_WB==Rt_EX&&(~ALUSrc2_EX))ForwardB<=2'b01;elseForwardB<=2'b00;判断方式与ForwardA完全相同:..ForwardB000110ALUnum2num2DataBusC_WBDataBusC_MEM(3)寄存器跳转地址的转发,控制信号ForwardC控制代码如下:if(RegWr_MEM&&(AddrC_MEM!=0)&&(AddrC_MEM==Rs_EX)&&(~ALUSrc1_EX)&&PCSrc_EX==3'b011)ForwardC<=2'b10;elseif(RegWr_WB&&Ad