分类： 计算机组成原理

instruction types

R：寄存器 – 寄存器操作

I：短立即数和访存 load

S：访存 store

B：条件跳转

U：长立即数

J：无条件跳转

opcode

指令不仅仅由 opcode 区分，还有子 opcode.

主 opcode:

R 型全是 0110011

计算 I 型全是 0010011

lui 是 0110111

auipc 是 0010111

读内存 I 型都是 0000011

写内存型都是 0100011

jalr 是 1100111

jal 是 1101111

B 型是 1100011

细分 opcode

12 – 14 位是细分 opcode

R 型与计算 I 型：

op	code
add, sub	000
sll	001
slt	010
sltu	011
xor	100
srl, sra	101
or	110
and	111

随后，sub 和 sra 和 srai 要将第 30 位置为 1，其它的此位置无立即数的是 0，有立即数的是立即数。

ALU 操作码设计

以上 10 个操作加上直接输出 A, B 共 12 个操作，用 4 位就够了。由于不确定透传 A, B 是否需要配合其它译码电路，先给它们两个单独划分一个位，后续再根据需求修改操作码。

op	code
add	00000
sub	01000
sll	00001
slt	00010
sltu	00011
xor	00100
srl	00101
sra	01101
or	00110
and	00111
srcA	10000
srcB	10001

1

(1)

T_{p_1}=0.9\times5\times10^9\div4GHz=1.125s

T_{p_2}=0.75\times1\times10^9\div3GHz=0.25s

p_2 所用时长更短。

(2)

T=1\times10^9\times0.9\div4GHz=0.225s

I_{p_2}=0.225s\times3GHz\div0.75=9\times10^8

(3)

MIPS_{p_1}=\frac{4GHz}{0.9\times10^6}=4444s^{-1}

MIPS_{p_2}=\frac{3GHz}{0.75\times10^6}=4000s^{-1}

p_1 的 MIPS 更高，但是按照 (1) 的结论更慢。

(4)

MFLOPS_{p_1}=\frac{5\times10^9\times40\%}{1.125s\times10^6}=1778s^{-1}

MFLOPS_{p_2}=\frac{1\times10^9\times40\%}{0.25s\times10^6}=1600s^{-1}

2

(1)

ALU：计算单元，执行算术运算，SOC 课讲过。

REGFILE：寄存器单元，提供寄存器读写。

MUX：选择器，按照控制信号连接对应的电路。

MEMORY：内存单元，按照地址读写内容。

(2)

ALU，REGFILE，MUX 属于 CPU.

MEMORY（包括 MAR，MDR）属于内存

(3) 图中 INPUT 和 OUTPUT 使用固定内存映射进行 I/O.

x86 计算机中显示器信号、键盘、鼠标可以使用内存映射进行 I/O. 除此之外 I/O 设备还有声卡、网卡、硬盘等。

3

(1)

A	B	Bin	D	Bout
0	0	0	0	0
0	0	1	1	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	1
1	0	0	0	0
1	0	1	1	0
1	1	0	0	0
1	1	1	1	1

(2) 功能：计算 A-B-Bin，结果为 D，借位 Bout，即一位全减器。

(3)

module Foo(A, B, Bin, D, Bout);
    input A, B, Bin;
    output D, Bout;

    assign D = A^B^Bin;
    assign Bout=(~A&(B|Bin))|(B&Bin);
endmodule

4

(1) 不区分，PC（IP）所指位置默认皆为指令，遇到非法指令直接报错。程序应自己设置合适的跳转保证 PC（IP）所指位置皆为指令。
按地址读取内存时全部视为数据，指令也视为对应的二进制数据。