MIPS核心子集及实现方式

冯·诺依曼架构的特点:

注: 运算器也叫数据通路

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个人计算机中, 控制器和运算器通常集成在一起形成中央处理器(CPU), 它是计算机的核心部件。也是我们本章的主题。还是从MIPS CPU来看计算机系统。

数据通路

数据通路是计算机系统中负责执行指令并处理数据的部分。它通常是由一系列硬件组件和逻辑电路组成, 负责执行算术逻辑运算、数据传输以及存储等操作。简单来说, 数据通路是指令执行的“高速公路”, 负责数据在计算机内部各个部件之间的传输和处理。主要组成部分包括:

寄存器: 用于存储临时数据和指令的硬件存储单元。寄存器通常与CPU紧密关联, 用于暂存指令、操作数以及运算结果。
运算单元: 执行算术逻辑运算的部件, 包括加法器、减法器、乘法器、除法器等。运算单元负责对数据进行各种数学运算和逻辑操作。
数据选择器/多路复用器: 用于选择不同的数据源或目的地, 并将数据传输到指定的位置。它可以根据控制信号选择不同的输入, 将选定的数据发送到指定的输出端口。
数据存储器: 包括随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM), 用于存储程序指令、数据以及中间结果。存储器在数据通路中扮演重要角色, 负责存储和提取数据。
控制逻辑: 负责根据指令序列产生控制信号, 控制数据通路中各个部件的操作和数据流动。控制逻辑根据指令的操作码和地址等信息, 生成适当的控制信号来调度数据通路中的操作。
数据总线: 用于在各个硬件组件之间传输数据和控制信号的物理通道。数据总线可以分为地址总线、数据总线和控制总线, 分别用于传输地址、数据和控制信号。

综合来看, 数据通路是计算机系统中执行指令并处理数据的关键部分, 它负责将指令和数据从存储器中提取出来, 通过运算单元进行处理, 并将结果存储回存储器中。数据通路的设计和优化直接影响了计算机系统的性能和效率。

MIPS指令集的核心子集主要包括一系列基础的指令类型, 这些指令对于任何计算机架构来说都是至关重要的:

加载/存储指令是MIPS架构中访问内存的主要方式, 它们允许CPU从内存读取数据或将数据写入内存

算术逻辑指令用于执行CPU内部的数据计算和操作。

分支指令用于改变程序执行的流程, 实现条件跳转或无条件跳转。

上述MIPS指令集核心子集没有包含所有的整数指令, 例如乘、除指令和移位指令, 也没有包含任何浮点指令。这个子集的选择是为了简化设计和说明原理, 突出计算机体系结构中的基本概念和关键组件。

在这个子集的基础上, 可以逐步添加更多的指令和功能, 例如乘除指令、移位指令和浮点指令等。通过扩展指令集, 可以进一步提升计算机的性能和功能, 满足更复杂的应用需求。

MIPS 指令集的设计体现了简洁和规整的原则, 这使得指令的执行过程相对统一, 降低了实现的复杂性。尽管每种类型的指令(存储访问、算术逻辑、分支)的具体操作细节不同, 但它们的执行过程遵循类似的结构:

指令获取阶段: 程序计数器(PC) 指向内存中即将执行的指令地址, 然后从内存中取出该指令。
寄存器读取阶段: 根据指令格式, 从寄存器文件中读取一个或两个操作数。例如, 加载/存储指令可能只需要一个寄存器(存放地址), 而算术逻辑指令通常需要两个操作数。
ALU 处理阶段: 所有非跳转指令通常都会利用 算术逻辑单元(ALU) 进行计算。对于存储访问指令, ALU用来计算有效内存地址；对于算术逻辑指令, ALU执行加减乘除、逻辑运算等；对于分支指令, ALU基于比较结果生成新的PC值。
数据通路阶段:
- 存储访问指令: 根据ALU计算出的地址访问内存, 进行数据读取或写入操作。
- 算术逻辑指令: 将ALU计算结果写回寄存器文件, 更新寄存器中的值。
- 分支指令: 根据ALU的比较结果决定是否跳转, 若满足条件则修改PC值, 使其指向新的目标地址；否则, 按照顺序执行下一条指令, 即PC增加4个字节(在MIPS中, 指令通常是固定长度的, 每个指令占4个字节)。