自己动手写CPU之第九阶段（4）——加载存储指令实现思路

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9.2 加载存储指令实现思路

9.2.1 实现思路

本节介绍除ll、sc之外的加载存储指令的实现思路，ll、sc指令的实现思路将在9.7节专题介绍。

1、加载指令实现思路

加载指令在译码阶段进行译码，得到运算类型alusel_o、aluop_o，以及要写的目的寄存器信息。这些信息传递到执行阶段，然后又传递到访存阶段，访存阶段依据这些信息，设置对数据存储器RAM的访问信号。从RAM读取回来的数据需要按照加载指令的类型、加载地址进行对齐调整，调整后的结果作为最终要写入目的寄存器的数据。

2、存储指令实现思路

存储指令在译码阶段进行译码，得到运算类型alusel_o、aluop_o，以及要存储的数据。这些信息传递到执行阶段，然后又传递到访存阶段，访存阶段依据这些信息，设置对数据存储器RAM的访问信号，将数据写入RAM。

需要特别注意的是：本章假设可以在一个时钟周期内完成对外部数据存储器RAM的读、写操作，在后续章节实现实践版OpenMIPS处理器的时候会考虑复杂情况。

9.2.2 数据流图的修改

为了实现除ll、sc之外的加载存储指令，修改数据流图如图9-18所示。主要是在访存阶段增加了对数据存储器RAM的访问，同时，由于要写入目的寄存器的数据可能是执行阶段的结果，也可能是在访存阶段从数据存储器RAM加载得到的数据，所以在访存阶段增加了一个多路选择器，进行选择。

9.2.3 系统结构的修改

为了实现除ll、sc之外的加载存储指令，需要对系统结构进行修改，增加部分模块的接口，修改后的系统结构如图9-19所示。



主要修改内容如下。

（1）译码阶段的ID模块增加了输出信号inst_o，其值就是处于译码阶段的指令，该信号会传递到执行阶段，在执行阶段的EX模块会利用该信号的值计算加载、存储地址mem_addr_o。

（2）执行阶段的EX模块将运算子类型aluop_o、加载存储地址mem_addr_o、读取的第二个操作数reg2_o等信息，通过EX/MEM模块传递到访存阶段的MEM模块。

（3）访存阶段的MEM模块依据加载、存储指令的类型，确定对数据存储器RAM的访问信息，通过mem_ce_o接口送出数据存储器使能信号，mem_addr_o接口送出访问地址，mem_we_o接口指出是加载还是存储操作、mem_sel_o接口送出字节选择信号，如果是存储指令，那么还通过mem_data_o接口输出要存储的数据，如果是加载指令，那么会从mem_data_i接口获得读取到的数据，然后MEM模块依据具体的加载指令类型、加载地址，对获取的数据进行对齐调整，最终得到要写入目的寄存器的数据。

下一次将修改OpenMIPS的代码以实现加载存储指令。