单周期CPU的R型和lw指令：主控大人的调教艺术！(ω)

下面我们仍然以 lw $2, 100($3) 和 add $1, $2, $3 为例，详细讲解图中所示的主要控制信号的取值。

图中的主控制单元（Main Control）根据指令的 op 字段（指令[31-26]）产生以下5个核心控制信号：

1. lw $2, 100($3) 指令执行期间的控制信号

回顾指令目标：计算内存地址（$3的内容 + 100），从该地址读取数据，并将该数据写回寄存器$2。

控制信号 取值 解释 (Why?)
RegDst 0 目标寄存器地址来源：lw指令的目标寄存器是$2，它在指令的rt字段（[20-16]）。查看数据通路图，rt字段连接到RegDst MUX的0号输入端。因此，选择0，将rt作为写地址。
ALUSrc 1 ALU操作数来源：ALU需要计算 $3的内容 + 100。第一个操作数来自寄存器堆（$3的内容），第二个操作数必须是立即数100。立即数来自符号扩展单元，它连接到ALUSrc MUX的1号输入端。因此，选择1。
MemtoReg 1 写回数据来源：指令最终要写回寄存器的是从数据存储器中读出的数据。该数据连接到MemtoReg MUX的1号输入端。ALU的计算结果（地址）连接到0号输入端。因此，选择1。
RegWr 1 是否写寄存器：lw指令需要将结果写回寄存器$2，所以必须使能寄存器堆的写入功能。
WE (访存) 0 是否写内存：lw是 读（Load） 内存指令，不是 写（Store） 内存指令。因此，数据存储器的写使能信号必须为0（无效）。
ALUOp 例如00 ALU操作类型：主控制单元告诉ALU控制单元，这是一个需要做地址计算的I型指令，通常是加法。ALU控制单元接收到这个信号后，会命令ALU执行加法操作。

总结 lw 指令：控制信号的设置为 {RegDst=0, ALUSrc=1, MemtoReg=1, RegWr=1, WE=0}，这一组值精确地配置了数据通路，使其先完成“寄存器+立即数”的地址计算，然后从内存读数据，最后将内存数据写入由rt字段指定的寄存器。

2. add $1, $2, $3 (R型) 指令执行期间的控制信号

回顾指令目标：将寄存器$2和$3的内容相加，并将结果写回寄存器$1。

控制信号 取值 解释 (Why?)
RegDst 1 目标寄存器地址来源：R型指令的目标寄存器是$1，它在指令的rd字段（[15-11]）。查看数据通路图，rd字段连接到RegDst MUX的1号输入端。因此，选择1，将rd作为写地址。
ALUSrc 0 ALU操作数来源：ALU需要计算 $2的内容 + $3的内容。两个操作数都来自寄存器堆。第二个操作数（$3的内容）来自寄存器堆的读数据2端口，它连接到ALUSrc MUX的0号输入端。因此，选择0。
MemtoReg 0 写回数据来源：指令最终要写回寄存器的是ALU的计算结果。ALU的结果连接到MemtoReg MUX的0号输入端。因此，选择0。
RegWr 1 是否写寄存器：add指令需要将结果写回寄存器$1，所以必须使能寄存器堆的写入功能。
WE (访存) 0 是否写内存：add指令是算术运算，完全不涉及数据存储器。因此，写使能信号必须为0。
ALUOp 例如10 ALU操作类型：主控制单元告诉ALU控制单元，这是一个R型指令。ALU控制单元接收到这个信号后，会进一步查看指令的funct字段（[5-0]）来确定具体是add, sub还是其他操作，并命令ALU执行加法。

总结 add 指令：控制信号的设置为 {RegDst=1, ALUSrc=0, MemtoReg=0, RegWr=1, WE=0}，这组值配置了数据通路，使其从寄存器堆读取两个操作数，在ALU中计算，最后将计算结果写回由rd字段指定的寄存器。

对比表格与考点分析

这张表格是408考试中非常高频的考点，必须熟练掌握。

控制信号 lw指令取值 add指令取值 核心作用与区别
RegDst 0 (rt) 1 (rd) 决定目标寄存器是谁。I型指令用rt，R型指令用rd。
ALUSrc 1 (立即数) 0 (寄存器) 决定ALU的第二个操作数来源。是区分I型运算指令和R型指令的关键。
MemtoReg 1 (内存) 0 (ALU) 决定写回寄存器的数据来源。是区分访存指令和运算指令的关键。
RegWr 1 1 lw和add都需要写回寄存器。对于sw或beq这类不写回的指令，该值为0。
WE 0 0 lw和add都不写内存。对于sw指令，该值为1。

常考陷阱与命题方式:

  1. 直接考查：题目直接给出一条指令，问某个控制信号的取值。

  2. 反向推理：题目给出一组控制信号的取值（例如{RegDst=1, ALUSrc=0, MemtoReg=0}），问CPU正在执行哪一类指令（答案是R型运算指令）。

  3. 纠错题：给出一个指令和一组错误的控制信号，问会导致什么错误的结果。例如，如果执行lw指令时，误将MemtoReg设为0，那么最终写入$2的将是计算出的内存地址，而不是内存中的数据，这是一个非常经典的错误。

  4. 设计题：要求为一条新指令设计其对应的控制信号取值。

掌握这些控制信号的逻辑，你就能从根本上理解数据是如何在CPU内部被精确引导和处理的。