你绝对没有认真考虑过的GPRs当中多路选择器和地址译码器

CPU微观之旅：追踪一条ADD指令的奇幻漂流

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追踪一条我们习以为常的指令——add R3, R1, R2——从诞生到消亡的全过程。

这条指令的任务很简单：把寄存器R1和R2里的值加起来，然后把结果存入寄存器R3。但在看似简单的背后，是CPU内部众多部件精密、优雅的协作。我们的焦点，将放在通用寄存器组（GPRs）的两位核心“门卫”身上：负责“读”的多路选择器，和负责“写”的地址译码器。

**第一站：指令译码

当add R3, R1, R2这条指令的机器码被加载到指令寄存器（IR）后，控制单元（CU）会立刻对其进行“审问”（译码）。它会解析出以下关键信息：

第二站：读操作——多路选择器(MUX)的“多对一”数据汇集

任务：我们需要从32个通用寄存器中，精确地取出R1和R2的值，并将它们送到ALU。

这是一个典型的 “多对一” 场景：我们有多个数据来源（R0-R31的值），但需要将其中一或两个汇集到唯一的出口（ALU的输入总线）。这时，多路选择器（Multiplexer, MUX）闪亮登场。

一个多路选择器就像一个智能数据漏斗。它有多个数据输入，但只有一个数据输出，通过“选择信号”来决定哪个输入能通过。

MUX的结构示意图:

          (来自 R0 的数据) ───┐
          (来自 R1 的数据) ───┤
          (来自 R2 的数据) ───┤
               ...         ├───> [唯一的输出 (例如: 送到ALU的A端口)]
          (来自 R31的数据) ───┘
                             ↑
                             |
                  [ 5位的选择信号 (来自 IR 的 rs 字段) ]

数据流转过程：

  1. 分派选择信号：控制单元将指令中的 rs 字段（R1的地址00001）送到第一个MUX的选择端。同时，将rt字段（R2的地址00010）送到第二个MUX的选择端（因为需要同时读取两个数）。

  2. 数据筛选：

    • 第一个MUX接收到00001信号后，立刻搭建起一条内部通路，使得其32个输入中只有R1的数据能够流向它的输出端口A。

    • 第二个MUX接收到00010信号后，只有R2的数据能够流向它的输出端口B。

  3. 数据就绪：现在，R1和R2的数值已经安然无恙地出现在了ALU的两个输入端口上，静候计算。

小结：在读操作中，MUX扮演了数据筛选器的角色，根据指令给出的地址，从“多”个寄存器数据源中，精确地选出“一”个，完成了一次高效的数据汇集。

第三站：ALU执行——核心计算

这一步相对简单。ALU接收到控制单元的“加法”命令后，将端口A和端口B送来的两个数值相加，产生一个结果。这个结果会被暂时存放在ALU的输出锁存器（如图中的Z寄存器）中。

第四站：写操作——地址译码器的“一对多”控制分配

任务：现在，ALU产生了一个唯一的结果，我们需要把它精确无误地存入目标寄存器R3，同时确保其他31个寄存器不受任何影响。

这是一个典型的 “一对多” 场景：我们有一个数据来源（ALU的结果），需要将它写入多个可能的目标中的某一个。这时，地址译码器（Address Decoder）将发挥其关键作用。

地址译码器不传输数据，它只负责传递“开门”信号。它接收一个地址，然后只激活与该地址对应的唯一一根输出控制线。

地址译码器的结构示意图:

                                 ┌───> [写使能信号 for R0]
                                 ├───> [写使能信号 for R1]
                                 ├───> [写使能信号 for R2]
[ 5位的地址输入 ]──────────────┤     ...
(来自 IR 的 rd 字段)           ├───> [唯一的有效信号 for R3]
                                 │     ...
                                 └───> [写使能信号 for R31]

数据流转过程：

  1. 数据准备：ALU的计算结果已经放在了通往寄存器组的内部总线上。

  2. 分派地址：控制单元将指令中的rd字段（R3的地址00011）送往地址译码器的输入端。

  3. 精确赋能：

    • 地址译码器接收到00011信号后，其32根输出线中，只有连接到R3寄存器“写使能”(Write Enable)引脚的那一根线会变为有效状态（例如，从0变为1）。

    • 其余31根连接到R0, R1, R2, R4...的输出线全部保持无效状态。

  4. 数据写入：此时，虽然ALU的结果数据对所有32个寄存器都是“可见”的，但由于只有R3的“写大门”被译码器打开了，所以数据最终只会写入到R3中，覆盖其旧值。其他寄存器因大门紧闭，完美地保持了原样。

小结：在写操作中，译码器扮演了精确制导的角色，根据指令给出的地址，从“多”个寄存器目标中，精确地为“一”个数据源打开写入的通路。

旅程终点：总结

add R3, R1, R2的奇幻漂流到此结束。我们看到：