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。
下一次会介绍移动操作指令实现，并给出代码，敬请关注！查看更多关于自己动手写CPU之第六阶段（2）移动操作指令实现思路的详细内容...