計組複習（二）：單周期資料通路與控制信号

目錄

• 前言
• 單周期資料通路
• 算數邏輯指令（R 型指令）
• • 取指令階段
  • 譯碼階段
  • 執行階段
  • 記憶體通路階段
  • 寫回階段
  • 下一條指令
• 記憶體通路指令
• 分支跳轉指令
• 總結（重要⚠）

前言

昨天複（yu）習了：計組複習（一）：乘法器，除法器與浮點加法器，鞏固了硬體事如何實作運算操作的。

今天複習 cpu 資料通路，也是很複雜的圖。一步一步來吧。

唔。。。。現在是淩晨 1:42，人快蕪了，是以部落格内容可能會出現一些纰漏 dbq 我爬 Orz

才不是打了一天 lol 導緻沒時間複習。還有，有沒有懂哥知道男刀這版本怎麼玩？出暗爪還是幕刃還是渴血？征服者 or 電刑？

編輯下：我的我的 還真漏了。。。

課本上的圖有一個多路複用器 01 接口畫反了，但是我所有圖檔都是按照課本的圖描圖畫的，于是也反了，來不及改了，算了（擺爛

就是 Jump 控制信号對應的複用器：

Jump 為 1 時才使用 Jump 的跳轉，否則使用 beq 或者 PC+4 作為下一條指令位址。

單周期資料通路

單周期即一個指令的執行，不包括流水線并行，是一種簡單（霧）的資料通路。由之前的學習知曉 mips 的指令也分為幾個階段：

1. 取指令 IF
2. 譯碼 ID
3. 執行 EX
4. 通路記憶體 MEM
5. 寫回 WB

硬體正是根據這幾個步驟進行設計的，且看 cpu 如何實作。

按照慣例先上圖，盡管這個圖非常吓人，但是待會我們一步一步來分析它。

單周期資料通路的硬體從左到右對應了 mips 的 5 個階段：

• 最左邊首先是位址記憶體，對應取指令與譯碼階段（IF / ID）
• 随後是寄存器檔案和 ALU，對應執行階段（EX）
• 再右邊是資料記憶體，對應記憶體通路階段（MEM）
• 最後是寫回（RW）。

同樣的，資料按照從左到右的順序進行通路周遊，來啦來看就知道了↓

這裡以 R 型指令舉例。

算數邏輯指令（R 型指令）

算數邏輯指令一般指 add，and 這些指令。他們都是 R 型指令

注：

R 型指令一般指有三個操作寄存器的指令：

這意味着我們需要從兩個源寄存器（rs，rt）讀取資料，同時将結果寫回目的寄存器（rd）。接下來看各個階段的資料通路：

取指令階段

首先是取指令階段，将指令取給控制單元，同時 PC+=4，如下圖：

IF 階段不需要任何的控制資料。

譯碼階段

然後是譯碼階段，這裡需要用到 RegDst 控制信号，以确定目的寄存器是哪個。因為 R 型指令和資料存取指令有着不同的目的寄存器：

通過 RegDst 置 1 控制信号（下圖黃色箭頭）指揮多路複用器（mux），我們取 [15-11] 作為目的寄存器：

執行階段

然後是執行（EX）階段，首先從寄存器中讀取兩個操作數并且傳入 ALU。

此外，需要額外的控制信号（對應下圖黃色箭頭）來決定資料源是來自寄存器還是由指令給出的立即數給出。

值得注意的是，ALUOp 控制信号告訴 ALU 要執行何種運算，因為不同指令需要做不同的運算，比如 add 就是按位相加，and 就是按位與運算。

因為執行的是 R 型指令，這裡 ALUSrc 置 0 來確定從寄存器中讀取資料，而不是來自于立即數，如下圖：

記憶體通路階段

再然後是記憶體通路階段（MEM），因為 R 型指令都是算數邏輯指令，不涉及記憶體通路，通過兩個控制信号：

1. MemRead，置 0，表示不需要從記憶體中讀取資料
2. MemWrite，置 0，表示不需要将資料寫入記憶體

通過兩個控制信号，直接跳過這個階段（對應下圖紅色箭頭繞路）：

寫回階段

最後是寫回階段。這裡需要兩個控制信号：

1. MemtoReg，置 0，表示寫回到寄存器的資料不是從記憶體中來
2. RegWrite，置 1，表示需要将結果寫回寄存器

控制信号如下圖黃色箭頭所示：

下一條指令

最後需要完成指令的跳轉，這裡通過控制信号：

1. Branch，置 0，表示不需要進行分支跳轉
2. Jump，置 0，表示這不是一條 j 指令，按照 beq 或者 PC+4 來跳轉

注：圖中 Jump 的複用器畫反了。

于是 PC+4 的值被寫回 PC，完成下一條指令的跳轉，如下圖：

注：

這不是 mips 流水線裡面的一個階段

這裡單獨寫出來是因為不想把圖畫的太複雜，否則很難看清

事實上這應該發生在寫回階段，畢竟寫 PC 也是一種寫回（霧

記憶體通路指令

和上面的 R 型指令的推導過程類似，這裡我就不畫分解圖了 dbp 我是懶狗我爬，但是大體思路都是一緻的。

回想 mips 每一個階段都需要 贛神魔 幹什麼，就能很快得出答案！

首先來看 lw 指令。lw 指令需要 4 個關鍵的控制信号置 1，他們分别是：

1. MemRead：置 1，需要讀取記憶體
2. MemtoReg：置 1，需要将記憶體資料寫回寄存器
3. RegWrite：置 1，需要寫寄存器
4. ALUSrc：置 1，需要從指令立即數讀取 ALU 運算資料

四個關鍵控制信号由黃色箭頭标記，而紅色箭頭則表示了資料的流向，如下圖：

再來看 sw 指令。sw 指令隻需兩個關鍵控制信号置 1 即可：

1. ALUSrc：置 1，表示從立即數讀取操作數
2. MemWrite：置 1，表示要向記憶體中寫資料

兩個關鍵控制信号由黃色箭頭标記，而紅色箭頭則表示了資料的流向，如下圖：

分支跳轉指令

分支跳轉指令也需要兩個關鍵控制信号，他們分别是：

1. Branch：置 1，表示需要執行分支跳轉
2. Jump：置 0，表示這不是一條 j 指令，按照 beq 或者 PC+4 來跳轉

注：圖中 Jump 的複用器畫反了。

看圖：

一步一步來看，就是：

• 首先根據立即數，計算分支指令跳轉的目的位址（由上圖藍色箭頭表示），此外注意位址計算乘以 4，因為一條指令占 4 位元組
• 然後 ALU 會判斷讀取的兩個寄存器（rs，rt）是否相等
• 如果相等，則給出一個控制信号（上圖橙色箭頭），并且和 Branch 控制信号進行與運算，決定最終是否執行分支
• 執行 beq / PC+4，寫回 PC

總結（重要⚠）

在了解了幾種指令的資料通路概要之後，老師給出的真值表似乎不那麼棘手了：

此外，附一張内鬼給的控制信号含義表：

主要記憶兩個：

ALUSrc：為 0 表示第二個操作數來自寄存器 rt，為 1 表示來自立即數

RegDst：為 0 表示目的寄存器是 rt，為 1 表示目的寄存器号為 rd

此外，注意 ALUOp 是 2 bit 的控制信号，它告訴 ALU 該做什麼運算，加 or 減：

控制信号真值表：