# Build a CPU

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## 抽象化設計

建構一台電腦時，他要能執行所有指定ISA的指令，以MIPS來說，就要執行MIPS裡面的所有指令，我們用底下的指令來建構電腦：

| Memory存取 | 算術邏輯運算 | 流程控制(不照順序執行指令) |
|-|-|-|
| lw, sw | add, sub, and, or, slt(向左shift，等同乘以2) | beq(相等時跳到其他指令), j(直接跳到其他指令) |

在建構之前，我們要先介紹一些基本零件

<style>
table th:first-of-type {
width: 50%;
}
table th:nth-of-type(2) {
width: 50%;
}
</style>

|基本零件|說明 |
|-|-|
| Register file(暫存器的集合)：透過Register編號，我們可以讀取或寫入任何一個Register，MIPS 2000有32個32位元一般目的Register，因此需要5bits來指定Register，Register file可以同時讀取2個即寫入1個Register內容，另外還需要1bit的寫入控制訊號來指定是否要寫入Register。 |
|  | ALU：執行運算的零件，一次只允許2個32bits的運算元參與運算，並由4bits的ALU控制訊號決定運算的類別(add, sub, or...)，另外，ALU有一個1bit的zero indicator表示運算結果是否為0。 |
|  | Data Memory：提供資料儲存的零件，提供位址輸入口、資料輸入口、資料輸出口，另外還需要指定要寫入還是讀取的各1bit輸入口。 |
|  | Instruction Memory：儲存程式的零件，有一個32bits的指令輸出口跟一個32bits的指令輸入口， |
|  | Adder：固定執行32bits加法並產上32bits結果的零件，雖然功能ALU也能做到，只是因為另外用一個零件執行比較省時間。它的用處在於(1)增加PC(program counter)的值到下一個指令，(2)計算branch指令的目的指令(target address)。|
|  | Sign Extension Unit：用來將16bits有號數擴充成32bits有號數的零件，轉成32bits是為了能夠丟進ALU進行加法。 |
|  | Program Counter(PC)：32bits特殊目的Register，永遠存放下一個要被執行的指令所在的記憶體位址。 |

## 單一時脈電腦資料路徑的結構

現在我們知道了基本零件有哪些，接下來要做的事情，就是把一個一個執行程式的步驟組起來，最後再把每個步驟串在一起，會稍微有點難，不過一起努力ㄅ~


### Instruction fetch

第一步我們要將執行程式的位址拿出來，所以需要PC紀錄執行到哪裡、Adder將指令位置往後推、Instruction Memory取得指令的內容。

組合的結果如下圖：

> 每次將PC加4(因為一個指令32bits = 4bytes，所以指令位置4個4個一組)。
> PC接入Instruction Memory。
> Adder的結果送回PC。

### R-type指令資料路徑

R-type讀取兩個Register的值，進行運算後存回去一個Register，所以我們需要Register file存取數值、ALU計算數值。

組合結果如下圖：

>取得Instrucion後，將三個Register號碼輸入。
>可以得到兩個數值，丟進去ALU計算。
>將結果丟回Register file中。

### 載入指令資料路徑(load word)

載入指令是將指定的Memory Address資料複製到指定的Register中，而且Address是將Register的資料加上某個常數，另外要把16bits的常數extend成32bits才能進去ALU進行運算。

所以我們需要Register file得到資料、ALU計算記憶體位址、Data Memory獲取記憶體資料，另外需要Sign extend擴充成32bits。

組合結果如下圖：

> 得到指令後，將Register資料讀出來(target Register、base memory address)，常數丟入Sign extension Unit。
> 運算結果丟入Data Memory得到數值。
> 將數值丟回Register。

### 儲存指令資料路徑(store word)

跟載入指令相似，只不過是將Register的內容丟進Data Memory中，所以我們需要的東西跟載入指令相同。

組合結果跟載入指令一樣：

> 不同的點在於Memory的資料不用回到Register file中。
> 並且Read data 2的資料要送進Memory

### 相等分支指令資料途徑(branch on equal)

如果兩個Register的資料相同，就要跳到指定的位置執行指令，所以要將常數extend之後丟到Adder中，改變PC的數值，需要的零件會有Register file、ALU比較是否相等、Sign Extension Unit擴充位元、Adder計算PC位址。

組合結果如下圖：

> 比較結果後傳送到branch control logic，由他決定是否要選擇常數加入PC

### Combine

比較麻煩的是加入Control之後需要的說明很多，不過基本上就是那些決定Read, Write, ALUop或是決定要用哪個來當作輸入時，都需要經過一個選擇器或是由Control Unit決定，經過層層組合後，整個CPU的樣子就會像這樣：

藍色的線代表Control的部分，其他黑色的深淺不重要，只是圖片在敘述不同的重點而已。

稍微有點難理解，我們可以將每個步驟要做的事情放進去圖上看，就會發現它滿足了每一個需求了，能夠自己畫出這張圖的話，相信對這個章節已經理解不少了。

## 下回預告

在這邊我們把CPU的datapath畫出來了，只是為了增加它的效能，我們會需要在中間設立像是儲存點的東西，才能讓一個一個指令接連進入，也就是Pipeline。

如果覺得這回已經夠地獄的話，下回會再恐怖一些，嘎油餒~

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|[誰是最棒的狗勾](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/Bk4NoT7kt) | [Pipeline](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/rynNyOKJY) |