R型指令和lw指令：从硬件角度看她们的秘密情书！💌

1. lw 指令的执行过程

我们以你图上标注的指令 lw $2, 100($3) 为例。

指令含义: 将基地址寄存器 $3 的内容加上偏移量 100，得到一个内存地址，然后从该地址读取数据，最后将这个数据写入目标寄存器 $2。

指令编码格式 (I-Type):

lw $rt,imm($rs)

• op: 6位，lw 指令的操作码。

• rs: 5位，基地址寄存器，这里是 $3，所以是 00011。

• rt: 5位，目标寄存器，这里是 $2，所以是 00010。

• immediate: 16位，偏移量，这里是 100。

数据通路执行步骤:

1. 取指令 (Instruction Fetch, IF)

   • PC (程序计数器) 存放当前指令的地址，该地址送到 指令存储器 的地址端口。

   • 指令存储器 根据地址读出 lw $2, 100($3) 的32位机器码，并将其锁存到 指令寄存器 中。

   • 与此同时，PC的值被送到上方的 Adder (加法器)，与常数4相加，计算出下一条指令的地址，准备在时钟CLK的下一个上升沿写入PC。

2. 指令译码 & 读寄存器 (Instruction Decode & Register Read, ID)

   • 指令寄存器中的32位机器码被“分发”到各个部件：

     • op 字段 (指令[31-26]) 送到 主控制单元。主控制单元识别出这是 lw 指令，并生成一组特定的控制信号。

     • rs 字段 (指令[25-21]，即$3) 送到 寄存器堆 (Register File) 的 读地址1 (RA) 端口。

     • rt 字段 (指令[20-16]，即$2) 送到 寄存器堆 的 读地址2 (RB) 端口。（注意：虽然$2的值也被读出来了，但在lw指令中，ALU并不会使用这个值）

     • immediate 字段 (指令[15-0]，即100) 送到 符号扩展单元。

   • 寄存器堆根据RA端口的地址$3，将寄存器$3中存放的数据（基地址）从 读数据1 端口输出。

3. 执行 (Execution, EX)

   • 主控制单元 为 lw 指令生成的控制信号开始发挥作用：

     • ALUSrc = 1：这是一个关键信号。它控制右边的MUX，使其选择 符号扩展单元 的输出（即立即数100的32位符号扩展结果）作为ALU的第二个操作数。

     • ALUOp：主控制单元生成一个特定的值（例如00），与指令的funct字段（lw指令不关心此字段）一起送给 ALU控制单元，使其产生“加法”信号。

   • ALU 接收两个输入：

     • 输入1：来自寄存器堆的 读数据1 端口（即$3的内容）。

     • 输入2：来自符号扩展单元的输出（即100）。

   • ALU执行加法操作，计算结果为 ($3的内容) + 100，这个结果就是我们要访问的 数据内存地址。

4. 访存 (Memory Access, MEM)

   • ALU计算出的内存地址被送到 数据存储器 的 地址 端口。

   • 主控制单元此时会发出读内存的信号（图中未画出，但通常是MemRead = 1），且WE（写使能）为0，表示不写入。

   • 数据存储器 根据输入的地址，从相应的存储单元中读出数据，并从 读数据 端口输出。

5. 写回 (Write Back, WB)

   • 从数据存储器读出的数据，被送到最右边的MUX。

   • 主控制单元为 lw 指令生成的控制信号：

     • MemtoReg = 1：控制最右边的MUX，选择来自 数据存储器 的数据（MUX的输入1）作为最终要写回寄存器的数据。

     • RegWr = 1：使能寄存器堆的写入操作。

     • RegDst = 0：控制 写地址 (RW) 来源的MUX，选择指令的 rt 字段（指令[20-16]，即$2）作为目标寄存器地址。这是I型指令和R型指令的一个核心区别。

   • 最终，来自数据存储器的数据通过MUX，被送到寄存器堆的 写数据 端口，目标地址由rt字段指定为$2。在时钟CLK的下一个上升沿，数据被写入寄存器$2，指令执行完毕。

2. R型指令的执行过程

我们以一个典型的R型指令 add $1, $2, $3 为例。

指令含义: 将寄存器 $2 和寄存器 $3 的内容相加，结果存入目标寄存器 $1。

指令编码格式 (R-Type):

add $rd, $rs, $rt

• op: 6位，R型指令的操作码，通常为 000000。

• rs: 5位，源寄存器1，这里是 $2。

• rt: 5位，源寄存器2，这里是 $3。

• rd: 5位，目标寄存器，这里是 $1。

• shamt: 5位，位移量（add指令中为0）。

• funct: 6位，功能码，用于区分不同的R型指令，这里是add的功能码。

数据通路执行步骤:

1. 取指令 (IF)

   • 此步骤与lw指令完全相同。PC找到指令，指令存储器读出机器码。

2. 指令译码 & 读寄存器 (ID)

   • 指令寄存器中的32位机器码被分发：

     • op 字段 (000000) 送到 主控制单元。它识别出这是R型指令。

     • funct 字段 (指令[5-0]) 送到 ALU控制单元。

     • rs 字段 (指令[25-21]，即$2) 送到寄存器堆的 RA 端口。

     • rt 字段 (指令[20-16]，即$3) 送到寄存器堆的 RB 端口。

     • rd 字段 (指令[15-11]，即$1) 送到决定写地址的MUX。

   • 寄存器堆根据RA和RB地址，同时读出$2和$3的内容，分别从 读数据1 和 读数据2 端口输出。

3. 执行 (EX)

   • 主控制单元 为R型指令生成的控制信号：

     • ALUSrc = 0：控制右边的MUX，使其选择来自寄存器堆 读数据2 端口的数据（即$3的内容）作为ALU的第二个操作数。

   • ALU控制单元 根据从主控制单元传来的 ALUOp（例如10，代表是R型指令）和指令中的 funct 码，生成具体的“加法”控制信号给ALU。

   • ALU 接收两个输入：

     • 输入1：$2的内容。

     • 输入2：$3的内容。

   • ALU执行加法操作，计算结果为 ($2的内容) + ($3的内容)。

4. 访存 (MEM)

   • 对于R型指令，此阶段 不进行任何有效操作。ALU的计算结果虽然也连接到了数据存储器的地址端口，但主控制单元会设置MemRead = 0和WE = 0，所以数据存储器既不读也不写，处于空闲状态。

5. 写回 (WB)

   • ALU的计算结果，同时也被送到了最右边的MUX。

   • 主控制单元为R型指令生成的控制信号：

     • MemtoReg = 0：控制最右边的MUX，选择来自 ALU 的计算结果（MUX的输入0）作为要写回寄存器的数据。

     • RegWr = 1：使能寄存器堆的写入操作。

     • RegDst = 1：控制 写地址 (RW) 来源的MUX，选择指令的 rd 字段（指令[15-11]，即$1）作为目标寄存器地址。

   • 最终，ALU的计算结果通过MUX，被送到寄存器堆的 写数据 端口，目标地址由rd字段指定为$1。在时钟CLK下一个上升沿，结果被写入寄存器$1，指令执行完毕。

对比总结与常考点分析