自己动手写CPU之第九阶段（8）——MIPS32中的LL、SC指令说明

将陆续上传新书《自己动手写CPU》，今天是第47篇。

9.7 ll、sc指令实现思路

9.7.1 实现思路

这2条指令都涉及到訪问链接状态位LLbit，能够将LLbit当做寄存器处理，ll指令须要写该寄存器，sc指令须要读该寄存器。同一时候，与对通用寄存器的訪问一样，对LLbit寄存器的写操作也放在回写阶段进行。

ll指令在訪存阶段要读取数据存储器中指定地址的数据。还要设置对LLbit寄存器的写操作，写入的值为1，这个写操作会通过MEM/WB模块传递到回写阶段，终于实现对LLbit寄存器的写。

sc指令在訪存阶段要先获得LLbit寄存器的值，假设该值为1。那么会完毕存储操作，同一时候设置对LLbit寄存器的写操作。写入的值为0，还要设置对通用寄存器rt的写操作，写入的值为1，这些写操作都会通过MEM/WB模块传递到回写阶段，终于实现对寄存器LLbit、通用寄存器rt的写；反之，假设LLbit寄存器的值为0。那么不进行存储操作，同一时候设置对通用寄存器rt的写操作。写入的值为0，这个写操作会通过MEM/WB模块传递到回写阶段，终于实现对通用寄存器rt的改动。

导致寄存器LLbit为0的情况有：（1）sc指令之前没有运行ll指令；（2）ll指令运行后、sc指令运行前。发生了异常。

9.7.2 数据流图的改动

为了实现ll、sc指令。须要对数据流图作如图9-29所看到的的改动，主要是在回写阶段新增了一个LLbit寄存器，当中存储的就是链接状态位。仅仅有在回写阶段才会写LLbit寄存器。同一时候。要将LLbit寄存器的值传递到訪存阶段，以供指令sc进行推断。

9.7.3 系统结构的改动

为实现ll、sc指令，须要对系统结构做如图9-30所看到的的改动。新增了一个LLbit模块。用来实现LLbit寄存器。



在訪存阶段的MEM模块中会进行分析。假设是ll、sc指令，那么设置对LLbit寄存器的訪问信息，通过LLbit_we_o、LLbit_value_o接口输出。前者表示是否是写操作，后者表示要写入的值，这些信息通过MEM/WB模块传递到回写阶段。终于改动LLbit寄存器。

LLbit寄存器的值通过LLbit_o接口输出到MEM模块的接口LLbit_i，当sc指令进入訪存阶段时会使用到该值。

须要注意的是。由于对LLbit寄存器的改动是在回写阶段最后的时钟上升沿进行的。假设直接採用LLbit模块给出的LLbit寄存器的值，可能不是正确的值，由于此时处于回写阶段的指令可能会改动LLbit寄存器，这一问题在第6章加入HI、LO寄存器时也遇到过，解决方法还是数据前推，将回写阶段指令对LLbit寄存器的操作信息前推到訪存阶段。訪存阶段根据这些情况，确定正确的LLbit寄存器的值。所以在图9-30中，MEM/WB模块的输出信号wb_LLbit_we、wb_LLbit_value也要送到MEM模块。就是用来解决数据相关问题的。

下一次将通过改动代码实现LL、SC指令。