自己动手写CPU之第六阶段（2）——移动操作指令实现思路

浏览数：18 / 时间：2015年06月11日

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第21篇，我尽量每周四篇

6.2 移动操作指令实现思路

6.2.1 实现思路

这6条移动操作指令可以分为两类：一类是不涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括movn、movz；另一类是涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括mfhi、mflo、mthi、mtlo。前一类很好实现，基本思路与第5章实现逻辑、移位操作指令时类似，只需要修改ID、EX模块即可。后一类涉及到特殊寄存器HI、LO，需要为OpenMIPS添加HI、LO寄存器，以及相应的读写控制。下面分别介绍各自的实现思路。

1、movn、movz指令实现思路

与第5章逻辑、移位操作指令的实现过程类似。

（1）在译码阶段给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o、要写入的目的寄存器地址wd_o等信号的值，同时读取地址为rs、rt的通用寄存器的值，但是这里需要新增一个步骤：依据读取的地址为rt的通用寄存器的值是否为0，判断是否要写目的寄存器。将上述结果送到执行阶段。

（2）执行阶段依据传入的信号，确定最终要写目的寄存器的信息（包含：是否写、写入的目的寄存器地址、写入的值），并将这些信息传递到访存阶段。

（3）上述信息会一直传递到回写阶段。最后，依据这些信息修改目的寄存器，或者不作任何修改。

2、mthi、mtlo指令实现思路

这2条指令需要写HI、LO寄存器，与之前实现的通用寄存器一样，对HI、LO寄存器的写操作放在回写阶段进行。

（1）在译码阶段依据指令，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同时读出地址为rs的通用寄存器的值。由于mthi、mtlo不写通用寄存器，所以wreg_o为WriteDisable，wd_o为0。

（2）在执行阶段确定要写HI、LO寄存器的情况，以及要写入的值，并将这些信息传递到访存阶段。

（3）访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段依据这些信息修改HI、LO寄存器的值。

3、mfhi、mflo指令实现思路

这2条指令需要读HI、LO寄存器，设计在执行阶段才能读取到。

（1）在译码阶段依据指令，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同时因为有要写的目的寄存器，所以wreg_o为WriteEnable，wd_o为指令中rd的值，也就是目的寄存器地址。

（2）在执行阶段获取HI或LO寄存器的值，作为要写入目的寄存器的数据，并将这些信息传递到访存阶段。

（3）访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段依据这些信息修改目的寄存器。

添加移动操作指令后的数据流图如图6-2所示。

对比图6-2与图5-7可以发现有如下区别。

增加了HILO寄存器模块，并且该模块放在回写阶段。
将HI、LO寄存器的值传递到执行阶段，在执行阶段增加了一个选择模块，用于选择要参与运算的数据，如果是mfhi、mflo指令，那么就会选择传递过来的HI、LO寄存器的值。

6.2.2 新的数据相关情况的解决

进一步考虑mfhi、mflo指令的处理过程，这2条指令会在流水线执行阶段读取HI、LO寄存器的值，如果直接采用HILO模块给出的HI、LO寄存器的值，可能不是正确的HI、LO寄存器的值，因为此时处于访存、回写阶段的指令有可能会修改HI、LO寄存器，以如下程序为例。

1、    lui $1,0x0000          # $1 = 0x00000000
2、    lui $2,0xffff          # $1 = 0xffff0000
3、    mthi $0                # hi = 0x00000000
4、    mthi $1                # hi = 0x00000000
5、    mthi $2                # hi = 0xffff0000
6、    mfhi $4                # $4 = 0xffff0000

指令3、4、5均要修改HI寄存器，当指令6处于执行阶段时，指令5处于访存阶段，指令4处于回写阶段，而此时HI寄存器的值是指令3刚刚写入的0x00000000，HILO模块正是将该值传到执行阶段，如果采用这个值，那么就会出错，偏离程序设想，正确的值应该是当前处于访存阶段的指令5要写的数据，如图6-3所示。