在32位CPU中LoadAligner模块数据通道的设计与实现

在CPU中，访问寄存器比访问主存速度要快。所以为了减少访问存储器而花的时间或延迟，MIPS4KC处理器采用了Load/Store设计。在CPU芯片上有许多寄存器，所有的操作都由存储在寄存器里的操作数来完成，而主存只有通过Load和Store指令来访问。这样做不仅可以减少访问主存的次数，有利于降低对主存储器容量的要求，而且可以精简指令集，有利于编译人员优化寄存器分配。Load Aligner就是数据存储器(DCACHE)和数据通道之间的接口。所以设计出性能优良的Load Aligner对提高CPU的整体性能是非常重要的。本文介绍了在一款32位CPU中Load Aligner模块的设计与实现，其中主要是数据通道部分的设计和实现。 设计目标

本文引用地址：本设计中，Load Aligner模块要实现的指令有LB、LBU、LH、LHU、LW、LWL、LWR。CPU通过这些指令把从数据存储器中取出来的数据重新排序，然后放进寄存器堆RF中，进入CPU的数据通道。表1是对这些指令的介绍。

如果把从DCACHE中取出的一个32位的字表示成4字节：A、B、C、D，如表2所示。

31-24/ 23-16/ 15-18/ 7-0

A / B / C / D

那么经过上述指令操作后，这个字被重新排列的结果(即Load Aligner模块的输出,也用4字节来表示)见表3。

表3中，s表示符号扩展，*表示这个字节上的寄存器中的数保持不变。不过在Load Aligner模块，先将这些字节置0，在寄存器堆模块再控制这些字节是否直接写进寄存器。

以上是Load Aligner模块要实现的指令目标，另外由于此模块是CPU关键路径的一部分，因此数据通道部分最长时延不能超过0.7ns。

逻辑设计

分析比较经过上述指令后Load Aligner模块的输入输出变化可以看出：输入字的每一字节经过Load Aligner模块后可以在输出字的任意字节位置上。换言之，输出字的每一字节都可以有A、B、C、D四种情况。所以需要一个8位的控制信号Bit7:0>来控制四个四选一的数据选择器，称为字节组合模块，来获得所需要的字节组合。不过，经过这个字节组合模块选出来的4字节并不全是所需要的，还需要去掉冗余的字节或者进行符号扩展。因此需要有能够产生符号扩展或者0扩展的模块称为符号产生模块，然后把它的输出和一个4位的控制信号Mask3:0>一起控制一组二选一数据选择器，称为输出模块，来获得最后的排序结果。逻辑实现流程图见图1。

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