Questa CPU implementa le istruzioni di Tipo R, lw, sw e beq.

Come progettarla?

Scegliere l’insieme di istruzioni da realizzare,
Definire come viene elaborata un’istruzione (in quali fasi viene eseguita),
Scegliere le unità funzionali necessarie rendendosi conto che una singola unità può essere impostata per fare compiti diversi, quindi bisogna inserire delle linee di selezione adeguate,
Collegare le unità funzionali tra loro con i datapath (interconnessioni che definiscono il flusso di più bit per ognuna all’interno della CPU),
Costruire la CU (Control Unit) che ha come output tutte le linee di selezione per le unità funzionali,
Calcolare il tempo massimo di esecuzione delle istruzioni per ottenere il periodo di clock.

1. Istruzioni da realizzare

Decidiamo di implementare:

È necessario ricordarsi i formati delle istruzioni per progettare i datapath.

Tutti i componenti della CPU;
gli elementi di stato (registri e RAM) dell’architettura RISC-V;
l’unità di estensione del segno in CA2, che serve a trasformare un intero relativo da 12 a 32 bit: serve perché i campi immediati sono lunghi 12 bit, ma l’ALU e i registri lavorano su 32 bit. Dovrà necessariamente essere migliorata, diventando l’unità “Genera Costante”: essa estende il segno, moltiplica il risultato ottenuto per 2 (in RISC-V le istruzioni vengono indicizzate alla half-word) e la somma al PC (Program Counter);
L’ALU Control Unit (a 4 bit di input e 2 di selezione) prende in selezione il tipo di operazione ALUOp (che proviene dalla CU) e in input campi funzione (funz7 e funz3) in base alle casistiche, produce le linee di controllo ALU e gliele passa come linee di selezione.

La logica di controllo per l’ALU è implementata attraverso 2 livelli di decodifica:

Selezione: L’ALU Control viene impostata da ALUOp che proviene dalla CU e agisce come una linea di selezione a 2 bit:

tipo di istruzione	ALUOp
lw, sw (operazioni di memoria)	00
beq (operazioni di salto)	01
tipo R (operazioni aritmetico-logiche)	10

In base all’ALUOp si prendono i campi funzione adatti al tipo di istruzione e vengono passati in input all’ALU Control:

Le operazioni di memoria e di salto prendono tutto il campo funz7 dell’istruzione
quelle R prendono un solo bit di funz7 (il 30esimo bit dell’istruzione) + tutto il campo funz3 (i bit da 14 e 12 inclusi dell’istruzione).

L’ALU control produce e restituisce in output la linea di selezione dell’ALU:

Linee di controllo ALU	Funzione
0000	AND
0001	OR
0010	ADD
0110	SUB
…	altre 14 possibili operazioni da implementare

N.B.: Se un’unità funzionale può ricevere dati da più sorgenti è necessario inserire un multiplexer (MUX) per selezionare la sorgente giusta.

Nome del segnale in output/linea di selezione per gli altri componenti	Effetto quando non assetito	Effetto quando asserito
ALUSrc (immediate)	Il secondo operando dell’ALU proviene da “Dato letto 2”	Il secondo operando della ALU proviene dall’estensione del segno dei 12 bit del campo immediato dell’istruzione
MemToReg	Il dato inviato al register file per la scrittura proviene dall’ALU	Il dato inviato al register file per la scrittura proviene dalla Memoria Dati
RegWrite	Nullo	Il dato da scrivere viene memorizzato nel registro da scrivere
MemRead	Nullo	Il dato della memoria nella posizione puntata dall’indirizzo viene inviato in uscita sulla linea “Dato Letto”
MemWrite	Nullo	Il contenuto della memoria nella posizione puntata dall’indirizzo viene sostituito con il dato presente sulla linea “Dato Scritto”
Branch (anche detto PCSrc)	Il Program Counter si aggiorna normalmente (+4)	Il Program Counter esegue il salto
ALUOp (2 bit)	Nullo (ad esempio nelle operazioni di memoria)	Passa come linea di selezione nell’unità di controllo dell’ALU, essa poi producerà l’OpCode dell’ALU

istruzione	ALUSrc	MemToReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	AluOP
Tipo R	0	0	1	0	0	0	10
lw	1	1	1	1	0	0	00
sw	1	$δ$	0	0	1	0	00
beq	0	$δ$	0	0	0	1	01

È noto che:

componente	tempo di esecuzione
memoria (accesso per dati o istruzioni)	200 ps (Fetch e MEM)
ALU e adder	200 ps (EX e PC)
registri (lettura o scrittura)	100 ps (ID e WB)
tutte le altre componenti	0 ps

Da ciò si possono calcolare i tempi di esecuzioni delle istruzioni (in picosecondi)

istruzione	Fetch dell’istruzione	lettura dei registri	ALU	accesso alla memoria	register write back	totale
`lw`	200	100	200	200	100	800
`sw`	200	100	200	200		700
Tipo R	200	100	200		100	600
`beq`	200	100	200			500