自己动手写CPU之第六阶段（2）——移动操作指令实现思路

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条移动操作指令能够分为两类：一类是不涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包含movn、movz；还有一类是涉及特殊寄存器HI、LO的指令。包含mfhi、mflo、mthi、mtlo。前一类非常好实现。基本思路与第5章实现逻辑、移位操作指令时类似，仅仅须要改动ID、EX模块就可以。后一类涉及到特殊寄存器HI、LO，须要为OpenMIPS加入HI、LO寄存器。以及对应的读写控制。

以下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。同一时候读取地址为rs、rt的通用寄存器的值，可是这里须要新增一个步骤：根据读取的地址为rt的通用寄存器的值是否为0。推断是否要写目的寄存器。将上述结果送到运行阶段。

（2）运行阶段根据传入的信号，确定终于要写目的寄存器的信息（包括：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訪存阶段。

（3）上述信息会一直传递到回写阶段。最后，根据这些信息改动目的寄存器。或者不作不论什么改动。

2、mthi、mtlo指令实现思路

这2条指令须要写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）在译码阶段根据指令。给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同一时候读出地址为rs的通用寄存器的值。

因为mthi、mtlo不写通用寄存器，所以wreg_o为WriteDisable。wd_o为0。

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

（3）訪存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段根据这些信息改动HI、LO寄存器的值。

3、mfhi、mflo指令实现思路

这2条指令须要读HI、LO寄存器，设计在运行阶段才干读取到。

（1）在译码阶段根据指令，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同一时候由于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）在运行阶段获取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訪存阶段。

（3）訪存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段根据这些信息改动目的寄存器。

加入移动操作指令后的数据流图如图6-2所看到的。

对照图6-2与图5-7能够发现有例如以下差别。

添加了HILO寄存器模块，而且该模块放在回写阶段。
将HI、LO寄存器的值传递到运行阶段，在运行阶段添加了一个选择模块，用于选择要參与运算的数据，假设是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条指令会在流水线运行阶段读取HI、LO寄存器的值，假设直接採用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。由于此时处于訪存、回写阶段的指令有可能会改动HI、LO寄存器，以例如以下程序为例。

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均要改动HI寄存器，当指令6处于运行阶段时，指令5处于訪存阶段，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运行阶段，假设採用这个值，那么就会出错，偏离程序设想。正确的值应该是当前处于訪存阶段的指令5要写的数据，如图6-3所看到的。

似曾相识。是不是？这就是上一章介绍过的数据相关问题，解决措施还是使用数据前推。将处于訪存阶段、回写阶段的指令对HI、LO寄存器的操作信息反馈到运行阶段，运行阶段根据这些信息，确定HI、LO寄存器的正确值。

为此，须要改动数据流图如图6-4所看到的，相比图6-3，主要添加的部分就是将訪存阶段、回写阶段的信息反馈到运行阶段，输入到运行阶段的选择模块（图中粗线所看到的），假设处于运行阶段的是mfhi、mflo指令，那么就会从中选择HI、LO寄存器的正确值。

6.2.3 系统结构的改动

为了实现移动操作指令须要对OpenMIPS系统结构进行补充完好，主要改动如图6-5所看到的。

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主要有三个方面。

（1）添加了HILO模块。用于实现HI、LO寄存器。

（2）运行阶段的EX模块添加了whilo_o、hi_o、lo_o接口。分别表示是否要写HILO、要写入HI寄存器的值、要写入LO寄存器的值。

这三个接口传递出来的，对HI、LO寄存器的改动信息会通过EX/MEM、MEM、MEM/WB三个模块一直传递到回写阶段，并终于传递给HILO模块。

（3）运行阶段的EX模块添加了与HI、LO寄存器有关的输入接口，包含为解决HI、LO寄存器的数据相关问题而引入的接口，在6.3.3节会有具体介绍。

下一次会介绍移动操作指令实现，并给出代码，敬请关注！