04. 處理器：資料路徑與控制單元

處理器 (Processor)

• 資料路徑(Datapath): 勞力部分，執行資料存取與運算
• 控制單元(Control Unit): 腦力部分，依指令的 OPcode 和 Function Code, 指揮 Datapath, Memory 及 I/O devices 的運作

$\rightarrow$ 本章將介紹單一時脈計算機(single cycle machine)和多重時脈計算機(multiple cycle machine)，及使用以下指令集來當建構計算機之規格:

抽象化設計 (Design Abstraction)

設計複雜系統時先將系統層級較低的細節暫時隱藏，以簡化設計時的複雜程度

$\rightarrow$ 以下我們不關注基本零件內的建構細節，而只專注它們之間的連接

基本零件(Basic Component)

暫存器檔案 (Register File)

• 暫存器寫入控制信號線(RegWrite): 1 bit

算術邏輯運算單元 (ALU)

• ALU 控制信號線(ALU Control): 4 bits

資料記憶體 (Data Memory)

• 記憶體寫入控制信號線(MemWrite): 1 bit
• 記憶體讀取控制信號線(MemRead): 1 bit

指令記憶體 (Instruction Memory)

加法器 (Adder)

有別於 ALU, 用來:

• PC + 4
• 計算 branch 指令的目的位址

有號數擴充單元 (Sign Extension Unit)

16 bits $\rightarrow$ 32 bits

程式計數器 (Program Counter)

多工器 (Multiplexor)

• 控制信號線: 1 bit
  • Jump
  • Branch $\rightarrow$ AND gate $\rightarrow$ PCSrc
  • RegDst
  • ALUSrc
  • MemtoReg

單一時脈計算機的資料路徑與控制單元圖

不包含跳躍指令

包含跳躍指令