如何设计支持任意起始位连续4位访问的可位寻址内存（RISC架构）

需求明确 #

现有16位数据：1101101001100010

• 索引0：取前4位 → 1101
• 索引3：跳过前3个bit，取连续4位（对应数据段为跨块的连续4位）
  当前指令内存以4位为单个存储块，需实现从任意bit索引开始，连续取4位的功能。

核心设计方案 #

1. 存储块映射 #

将16位数据按高位到低位拆分为4个独立的4位存储单元，记为：

• Mem[0]：最高4位 → 1101
• Mem[1]：次高4位 → 1010
• Mem[2]：次低4位 → 0110
• Mem[3]：最低4位 → 0010

2. 地址解码与块选择 #

对输入的bit索引idx（合法范围0~12，因需取4位，最大索引为16-4=12），计算两个关键参数：

• 起始块地址：blk_addr = idx // 4（整数除法，如idx=3时blk_addr=0，idx=4时blk_addr=1）
• 块内偏移：offset = idx % 4（如idx=3时offset=3，idx=5时offset=1）

根据offset判断取数逻辑：

• 若offset = 0：仅读取Mem[blk_addr]，直接输出该块的4位数据。
• 若offset ≠ 0：需同时读取Mem[blk_addr]和Mem[blk_addr+1]（因4位数据会跨两个存储块）。

3. 跨块数据拼接（移位+或运算） #

当需要跨块取数时，通过以下步骤拼接数据：

1. 将Mem[blk_addr]执行逻辑右移，移位位数为4 - offset，保留低offset位有效数据（高位补0）。
2. 将Mem[blk_addr+1]执行逻辑左移，移位位数为offset，保留高4 - offset位有效数据（低位补0）。
3. 将两个移位结果做按位或运算，得到最终的4位连续数据。

验证示例（以idx=3为例）

• blk_addr=0，offset=3
• Mem[0] = 1101 → 右移1位 → 0110
• Mem[1] = 1010 → 左移3位 → 1000
• 按位或运算：0110 | 1000 = 1110（对应原始数据中跳过前3位后的连续4位）

4. 电路硬件实现 #

通过以下模块组合完成功能：

• 地址解码器：根据idx生成对应存储块的读取使能信号，控制是否读取单个块或两个块。
• 移位器：两个4位可控移位器，分别处理两个存储块的移位操作。
• 多路选择器：根据offset是否为0，选择输出单个块数据或移位拼接后的结果。
• 逻辑运算单元：实现跨块时的按位或拼接。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Nishant Jalan