計算機組成與設計（八）—— 單周期處理器
處理器的設計步驟
- 分析指令系統，得出對數據通路的需求
- 為數據通路選擇合適的組件
- 連接組件，建立數據通路
- 分析每條指令的實現，以確定控制信號
- 集成控制信號，完成完整的數據通路
具體設計步驟
（一）分析指令系統
MIPS的所有指令是非常多的，我們只實現其簡化版，包含如下6種：
（二）需求分析
需求分析，需要存放指令地址的32位寄存器（PC），需要存放指令的存儲器，可讀，數據和指令均為32位（MEM[PC]）。還需要一個寄存器堆，用來保存源操作數和目的操作數，一個ALU進行運算。
（三）選擇組件
所以我們需要如下組件：
- 算術邏輯單元（ALU）：操作數為2個32位數，來自寄存器或擴展後的立即數
- 立即數擴展部件：將一個16位立即數擴展為32位，擴展方式包括零擴展和符號擴展
- 程序計數器（Program Counter,PC）：是一個32位寄存器，支持兩種加法：加4或加立即數
- 寄存器堆（Register File）：包含32個寄存器，每個32位寬；支持讀和寫操作
- 存儲器：一個是只讀的指令寄存器，一個可讀寫的數據存儲器，兩者地址和數據都是32位（這兩個存儲器實際對應CPU中的指令高速緩存和數據高速緩存，雖然馮·諾伊曼結構要求指令和數據不加區分的存儲，但在CPU的高速緩存是做區分的）
寄存器堆
內部構成是3個32位寄存器。Ra
busA和busB：兩組32位的數據輸出，busW:一組32位的數據輸入
存儲器
Address：32位的地址信號，該信號指定一個存儲單元，將其內容送到數據輸出信號。Write Enable：寫使能信號，在時鐘上升沿，如果寫使能信號有效（為1），將數據輸入信號的內容存入地址信號指定的存儲單元。
Date In：32位的數據輸入信號。Date Out：32位的數據輸出信號。
（四）建立數據通路
建立數據通路，即根據指令的需求連接組件。指令的需求包括所有指令的共同需求、不同指令的不同需求。
所有指令的共同需求
主要包括取指令和更新PC
不同指令的不同需求
加法和減法指令的需求是最簡單的
邏輯運算指令有立即數參與，需要增加兩個二路選擇器，一個選擇數據輸入來自寄存器還是立即數，另一個選擇目的寄存器是rd還是rs
訪存指令需要對立即數進行符號擴展，同時需要一個數據存儲器用來讀取和寫入數據
數據通路初步完成
（五）控制信號的集成
現有指令所需的控制信號
控制信號哪來的呢？肯定來自指令。我們說opcode和func決定了指定功能，理所當然，控制信號也由它們決定。
opcode和func決定了8個信號
以add指令（add rd,rs,rt;PC = PC + 4）為例，看需要將哪些信號設為有效，哪些設為無效，哪些任意。如圖所示
用同樣的分析方法，我們可以得到其它的指令的信號設置，它們的邏輯表達式如下：
根據數字邏輯的知識，我們很容易求出每個控制信號關於opcode和func的邏輯表達式
例如，求$RegDest$,按行觀察
$RegDest = add + sub$
$add = rtype · func5 · ~func4·~func3·~func2·~func1·~func0$
$sub = rtype · func5 · ~func4·~func3·~func2·func1·~func0$
$rtype = ~op5·~op4·~op3·~op2·~op1·~op0$
同理可得到其它表達式的邏輯表達式
觀察發現，這些表達式都是先相與、再相或，所以可用如下的電路來實現
參考鏈接：https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/lecture/kRJer/506-kong-zhi-xin-hao-de-ji-cheng
計算機組成與設計（八）—— 單周期處理器