多周期CPU
多周期数据通路
| R | lw or sw | beq | J | |
|---|---|---|---|---|
| IF | PC<=PC+4; IR <=MemInst[PC]; | * | * | * |
| ID | opcode<=IR[31:26]; A<=Reg[IR[25:21]]; B<=Reg[IR[20:16]]; ALUOut<=PC+(signext(IR[15:0]«2)) | * | * | * |
| EX | ALUOut <= A op B | ALUOut<=A+sign-ext(IR[15:0]) | if (A=B)PC<=ALUOut | PC <= {PC[31:28],IR[25:0],2’b00} |
| MEM | Reg[IR[15:11]]<=ALUOut | Lw:MDR<=MemData[ALUOut];Sw:MemData[ALUout] <=B | ||
| WB | Reg[IR[20:16]]<=MDR |
重点控制信号的周期：
- IRWrite：在Instruction fench阶段被置为1，但在lw的Memory access阶段被置为0，因为在lw的Register writeback阶段，Instruction Register不能再更新，如果更新的话，会被读出的数据覆盖。
- MemRead：在Instruction fench阶段被置为1（用于读取指令），在Instruction decode阶段为0，在lw的Memory access阶段被置为1。
- MemWrite：默认0，在sw的Memory access阶段被置为1。
- ALUSrc1：在Instruction fench阶段为00（PC），在Execution阶段根据实际情况修改。
- ALUSrc2：在Instruction fench阶段为01（4），在Instruction decode阶段为11（imm«2），在Execution阶段根据实际情况修改。
- PCWrite：在Instruction fench阶段为1（PC<=PC+4），在Instruction decode阶段为0，此后若执行跳转类指令则被置为1。
- PCSource：默认为00（PC<=PC+4），在Execution阶段视情况改变。
- IorD：默认0（取指令），在Memory access阶段被置为1。
- PCWriteCond：在beq的Execution阶段被置为1。
- MemtoReg：默认00。
- RegDst：默认00。
- RegWrite：默认0，在jal和jalr以及Register writeback中被置为1。
- ExtOp：在Instruction decode阶段被置为1，因为需要算跳转地址。
- ALUOp：在Instruction fench和Instruction decode均为00，因为需要执行加法操作；R type被置为10，beq被置为01。
多周期异常和中断处理
异常指内部不可预知事件（溢出，同步），中断指外部不可预知事件（I/O，异步）。
简单起见，假设我们需要处理两种异常：1)未定义指令的执行 2)算术溢出，异常处理程序的入口为0x80000180。
我们需要添加2个寄存器：
- EPC Register：保存受影响的指令的地址。注意写入EPC的地址应该为PC-4。
- Cause Register：记录产生异常事件原因。此处0为未定义指令，1为算术溢出。
4个控制信号：
- EPCWrite：EPC写入使能，在触发异常/中断时被置为1。
- CauseWrite：Cause写入使能。
- PCSource：增加0x80000180。
- IntCause：异常原因选择信号。
异常处理的步骤大致如下：
-
异常检测。通过检测 ALU 的溢出信号，判断是否发生溢出异常。
-
保存现场。在异常程序计数器（Exception Program Counter，EPC）中保存出错的指令地址。
-
跳转到异常处理程序。通过修改程序计数器（PC）的值，使得处理器进入异常处理程序。
-
异常/中断处理程序采取操作，比如可以执行对溢出情况实现定义的一些操作，或者终止程序运行并报告。在异常处理完成后，异常处理程序可以选择终止程序，也可以根据 EPC 存储的指令地址恢复并继续执行程序。