# 計算機組織與結構 L4 處理器 : 資料路徑與控制

計算機實作規格有兩種
- **單一時脈計算機**
- 所有指令的執行都要在一個時脈週期內完成
- 時脈週期長度取決於最長執行時間的指令
- 效率不佳

- **多重時脈計算機**
- 將指令分成好幾個步驟，每個步驟都是一個時脈週期
- 執行時間較長的指令需要較多的步驟
- 減少單一時脈造成的時間浪費

## 抽象化設計

**指令集 :** 建構計算機的規格

**Design Abstraction :** 設計複雜系統時，將較低層的細節掩藏起來，以簡化抽象化設計原則

- 基本零件
- **Register File :**
- **ALU :**
- **Data Memory :**
- **Instruction Memory :**
- **Adder :**
- **Sign Extension Unit :**
- **Program Counter :**
- **Processor (CPU) :**
- 包含 Datapath 和 Control Unit

## 單一時脈計算機 (Single Cycle Machine) Datapath 的建構

**RTL (Register Transfer Language) :** 暫存器轉移敘述

1. **Instruction Fetch**

2. **R-Tpye Instruction**

3. **Load Word**

4. **Store Word**

5. **Branch On Equal**

6. **Memory & R-Tpye (2, 3, 4)**

7. **Memory & R-Type & Instruction Fetch (1, 2, 3, 4)**

8. **Memory & R-Type & Instruction Fetch & Branch (1, 2, 3, 4, 5)**

9. ⭐**With Control Unit**

10. **With Jump**

## 單一時脈計算機的 Control Unit

- 用 **Control Unit** 的其中兩根訊號線 **ALUOp** 控制 **ALU Control**
- 降低主要控制單元的尺寸
- 加快控制單元的速度

-
| 控制信號 | Effect When Deasserted | Effect When Asserted |
| -------- | -------- | -------- |
| **RegDst** | 寫入的目的暫存器是 **rt** | 寫入的目的暫存器是 **rd** |
| **RegWrite** |None|允許寫入資料|
|**ALUSrc** | ALU 的第二個運算元為 **register 第二個輸出** | ALU 第二個運算元為 **sign extend 後的結果** |
|**PCSrc**| PC 為 **PC + 4** |PC 為**分支目的位址**|
|**MemRead**|None|允許要被讀的資料輸出記憶體|
|**MemWrite**|None|允許要被寫的資料輸入記憶體|
|**MemtoReg**|要寫入 register 的資料是來自 **ALU 的計算結果**| 要寫入 register 的資料是來自 **memory**|

-
| 指令 | RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite |
| -------- | -------- |---|---|---|
| **R-Type** | 1 | 0 | 0 | 1 |
| **lw** | 0 | 1 | 1 | 1 |
| **sw** | x | 1 | x | 0 |
| **beq** | x | 0 | x | 0 |
| **addi** | 0 | 1 | 0 | 1 |

| 指令 | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp1 | ALUOp0 |
| -------- | -------- | -- | -- |---|---|
| **R-Type** | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| **lw** | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| **sw** | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| **beq** | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| **addi** | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |

- **PLA (Programmable Logic Array) :** 是 Control Unit 的其中一種電路方式

- **Dataflow Chart**
- **Dataflow for R-Type**
- **PIR MAMR**

- **Dataflow for lw**
- **PIR ADMR**

- **Dataflow for sw**
- **PIR AD**

- **Dataflow for Branch**
- **PIR MAaM**

- **Dataflow for addi**
- **PIR AMR**

- **Dataflow for Jump**
- **PI SCM**

- **Chart Comparision**

## 多重時脈計算機 (Multi Cycle Machine)

- **每個步驟**只能使用**一個主要功能單元**
- **Memory**
- **Register**
- **ALU**

- 指令執行步驟分為
- **Instruction Fetch (IF)**
- **Instruction Decode & Register Fetch (ID)**
- **Execution, Memory Address Computation or Branch Completion (EXE)**
- **Memory Access or R-Type Instruction Completion (MEM)**
- **Memory Read Completion (WB)**