计组复习（二）：单周期数据通路与控制信号

前言

昨天复（yu）习了：计组复习（一）：乘法器，除法器与浮点加法器，巩固了硬件事如何实现运算操作的。

今天复习 cpu 数据通路，也是很复杂的图。一步一步来吧。

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唔。。。。现在是凌晨 1:42，人快芜了，所以博客内容可能会出现一些纰漏 dbq 我爬 Orz

才不是打了一天 lol 导致没时间复习。还有，有没有懂哥知道男刀这版本怎么玩？出暗爪还是幕刃还是渴血？征服者 or 电刑？

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编辑下：我的我的 还真漏了。。。

课本上的图有一个多路复用器 01 接口画反了，但是我所有图片都是按照课本的图描图画的，于是也反了，来不及改了，算了（摆烂

就是 Jump 控制信号对应的复用器：

Jump 为 1 时才使用 Jump 的跳转，否则使用 beq 或者 PC+4 作为下一条指令地址。

单周期数据通路

单周期即一个指令的执行，不包括流水线并行，是一种简单（雾）的数据通路。由之前的学习知晓 mips 的指令也分为几个阶段：

1. 取指令 IF
2. 译码 ID
3. 执行 EX
4. 访问内存 MEM
5. 写回 WB

硬件正是根据这几个步骤进行设计的，且看 cpu 如何实现。

按照惯例先上图，尽管这个图非常吓人，但是待会我们一步一步来分析它。

单周期数据通路的硬件从左到右对应了 mips 的 5 个阶段：

• 最左边首先是地址内存，对应取指令与译码阶段（IF / ID）
• 随后是寄存器文件和 ALU，对应执行阶段（EX）
• 再右边是数据内存，对应内存访问阶段（MEM）
• 最后是写回（RW）。

同样的，数据按照从左到右的顺序进行通路遍历，来啦来看就知道了↓

这里以 R 型指令举例。

算数逻辑指令（R 型指令）

算数逻辑指令一般指 add，and 这些指令。他们都是 R 型指令

注：
R 型指令一般指有三个操作寄存器的指令：

这意味着我们需要从两个源寄存器（rs，rt）读取数据，同时将结果写回目的寄存器（rd）。接下来看各个阶段的数据通路：

取指令阶段

首先是取指令阶段，将指令取给控制单元，同时 PC+=4，如下图：

IF 阶段不需要任何的控制数据。

译码阶段

然后是译码阶段，这里需要用到 RegDst 控制信号，以确定目的寄存器是哪个。因为 R 型指令和数据存取指令有着不同的目的寄存器：

通过 RegDst 置 1 控制信号（下图黄色箭头）指挥多路复用器（mux），我们取 [15-11] 作为目的寄存器：

执行阶段

然后是执行（EX）阶段，首先从寄存器中读取两个操作数并且传入 ALU。

此外，需要额外的控制信号（对应下图黄色箭头）来决定数据源是来自寄存器还是由指令给出的立即数给出。

值得注意的是，ALUOp 控制信号告诉 ALU 要执行何种运算，因为不同指令需要做不同的运算，比如 add 就是按位相加，and 就是按位与运算。

因为执行的是 R 型指令，这里 ALUSrc 置 0 来确保从寄存器中读取数据，而不是来自于立即数，如下图：

内存访问阶段

再然后是内存访问阶段（MEM），因为 R 型指令都是算数逻辑指令，不涉及内存访问，通过两个控制信号：

1. MemRead，置 0，表示不需要从内存中读取数据
2. MemWrite，置 0，表示不需要将数据写入内存

通过两个控制信号，直接跳过这个阶段（对应下图红色箭头绕路）：

写回阶段

最后是写回阶段。这里需要两个控制信号：

1. MemtoReg，置 0，表示写回到寄存器的数据不是从内存中来
2. RegWrite，置 1，表示需要将结果写回寄存器

控制信号如下图黄色箭头所示：

下一条指令

最后需要完成指令的跳转，这里通过控制信号：

1. Branch，置 0，表示不需要进行分支跳转
2. Jump，置 0，表示这不是一条 j 指令，按照 beq 或者 PC+4 来跳转

注：图中 Jump 的复用器画反了。

于是 PC+4 的值被写回 PC，完成下一条指令的跳转，如下图：

注：
这不是 mips 流水线里面的一个阶段
这里单独写出来是因为不想把图画的太复杂，否则很难看清
事实上这应该发生在写回阶段，毕竟写 PC 也是一种写回（雾

内存访问指令

和上面的 R 型指令的推导过程类似，这里我就不画分解图了 dbp 我是懒狗我爬，但是大体思路都是一致的。

回想 mips 每一个阶段都需要 赣神魔 干什么，就能很快得出答案！

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首先来看 lw 指令。lw 指令需要 4 个关键的控制信号置 1，他们分别是：

1. MemRead：置 1，需要读取内存
2. MemtoReg：置 1，需要将内存数据写回寄存器
3. RegWrite：置 1，需要写寄存器
4. ALUSrc：置 1，需要从指令立即数读取 ALU 运算数据

四个关键控制信号由黄色箭头标记，而红色箭头则表示了数据的流向，如下图：

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再来看 sw 指令。sw 指令只需两个关键控制信号置 1 即可：

1. ALUSrc：置 1，表示从立即数读取操作数
2. MemWrite：置 1，表示要向内存中写数据

两个关键控制信号由黄色箭头标记，而红色箭头则表示了数据的流向，如下图：

分支跳转指令

分支跳转指令也需要两个关键控制信号，他们分别是：

1. Branch：置 1，表示需要执行分支跳转
2. Jump：置 0，表示这不是一条 j 指令，按照 beq 或者 PC+4 来跳转

注：图中 Jump 的复用器画反了。

看图：

一步一步来看，就是：

• 首先根据立即数，计算分支指令跳转的目的地址（由上图蓝色箭头表示），此外注意地址计算乘以 4，因为一条指令占 4 字节
• 然后 ALU 会判断读取的两个寄存器（rs，rt）是否相等
• 如果相等，则给出一个控制信号（上图橙色箭头），并且和 Branch 控制信号进行与运算，决定最终是否执行分支
• 执行 beq / PC+4，写回 PC

总结（重要⚠）

在了解了几种指令的数据通路概要之后，老师给出的真值表似乎不那么棘手了：

此外，附一张内鬼给的控制信号含义表：

主要记忆两个：
ALUSrc：为 0 表示第二个操作数来自寄存器 rt，为 1 表示来自立即数
RegDst：为 0 表示目的寄存器是 rt，为 1 表示目的寄存器号为 rd

此外，注意 ALUOp 是 2 bit 的控制信号，它告诉 ALU 该做什么运算，加 or 减：

控制信号真值表：