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 条移动操作指令可以分为两类：一类是不涉及特殊寄存器 HI 、 LO 的指令，包括 movn 、 movz ；另一类是涉及特殊寄存器 H

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条移动操作指令可以分为两类：一类是不涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括movn、movz；另一类是涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括mfhi、mflo、mthi、mtlo。前一类很好实现，基本思路与第5章实现逻辑、移位操作指令时类似，只需要修改ID、EX模块即可。后一类涉及到特殊寄存器HI、LO，需要为OpenMIPS添加HI、LO寄存器，以及相应的读写控制。下面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，同时读取地址为rs、rt的通用寄存器的值，但是这里需要新增一个步骤：依据读取的地址为rt的通用寄存器的值是否为0，判断是否要写目的寄存器。将上述结果送到执行阶段。

（2）执行阶段依据传入的信号，确定最终要写目的寄存器的信息（包含：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访存阶段。

（3）上述信息会一直传递到回写阶段。最后，依据这些信息修改目的寄存器，或者不作任何修改。

2、mthi、mtlo指令实现思路

这2条指令需要写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）在译码阶段依据指令，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同时读出地址为rs的通用寄存器的值。由于mthi、mtlo不写通用寄存器，所以wreg_o为WriteDisable，wd_o为0。

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

（3）访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段依据这些信息修改HI、LO寄存器的值。

3、mfhi、mflo指令实现思路

这2条指令需要读HI、LO寄存器，设计在执行阶段才能读取到。

（1）在译码阶段依据指令，给出运算类型alusel_o、运算子类型aluop_o的值，同时因为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）在执行阶段获取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访存阶段。

（3）访存阶段将这些信息再传递到回写阶段。

（4）回写阶段依据这些信息修改目的寄存器。

添加移动操作指令后的数据流图如图6-2所示。

对比图6-2与图5-7可以发现有如下区别。

• 增加了HILO寄存器模块，并且该模块放在回写阶段。
• 将HI、LO寄存器的值传递到执行阶段，在执行阶段增加了一个选择模块，用于选择要参与运算的数据，如果是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条指令会在流水线执行阶段读取HI、LO寄存器的值，如果直接采用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，因为此时处于访存、回写阶段的指令有可能会修改HI、LO寄存器，以如下程序为例。

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均要修改HI寄存器，当指令6处于执行阶段时，指令5处于访存阶段，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执行阶段，如果采用这个值，那么就会出错，偏离程序设想，正确的值应该是当前处于访存阶段的指令5要写的数据，如图6-3所示。

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。将处于访存阶段、回写阶段的指令对HI、LO寄存器的操作信息反馈到执行阶段，执行阶段依据这些信息，确定HI、LO寄存器的正确值。

为此，需要修改数据流图如图6-4所示，相比图6-3，主要增加的部分就是将访存阶段、回写阶段的信息反馈到执行阶段，输入到执行阶段的选择模块（图中粗线所示），如果处于执行阶段的是mfhi、mflo指令，那么就会从中选择HI、LO寄存器的正确值。

6.2.3 系统结构的修改

为了实现移动操作指令需要对OpenMIPS系统结构进行补充完善，主要修改如图6-5所示。

主要有三个方面。

（1）增加了HILO模块，用于实现HI、LO寄存器。

（2）执行阶段的EX模块增加了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寄存器的修改信息会通过EX/MEM、MEM、MEM/WB三个模块一直传递到回写阶段，并最终传递给HILO模块。

（3）执行阶段的EX模块增加了与HI、LO寄存器有关的输入接口，包括为解决HI、LO寄存器的数据相关问题而引入的接口，在6.3.3节会有详细介绍。