单周期CPU当中的指令和控制信号

控制器的工作，就是根据当前执行的指令，生成一系列“命令”（即控制信号），精确地指挥数据通路上的各个部件应该做什么、不应该做什么。

一、 控制器的“输入”与“输出”

• 输入 (Input)：控制器的唯一输入，是当前指令的6位操作码 (Opcode)，即表格中的 OP[5:0]。控制器就像一个解码器，通过识别这6位二进制码，就能知道这是一条什么类型的指令（R型、lw、sw等）。

• 输出 (Output)：控制器根据输入的操作码，生成一系列控制信号，这些信号是1、0或×（无关项），用于控制数据通路上的各个“开关”和“旋钮”。

这张表，本质上就是定义了一个从6位输入到多个1位输出的组合逻辑电路。

二、逐条指令解析控制信号

1. R型指令 (OpCode = 000000)

• 功能：执行寄存器之间的算术或逻辑运算，如 add rd, rs, rt。

• 控制信号解读：

  • RegDst = 1： R型指令要将结果写入rd寄存器（指令的[15:11]位）。RegDst=1 会让选择器（MUX）选择rd字段作为目标寄存器地址。

  • Branch = 0： 这不是分支指令。

  • MemtoReg = 0：写回寄存器的数据来自ALU的计算结果，而不是来自存储器。

  • WE (MemWrite) = 0： R型指令不访问数据存储器，因此禁止写入。

  • ALUSrc = 0： ALU的第二个操作数来自寄存器堆读出的rt的值，而不是指令中的立即数。

  • ALUOp = 10： 这是“两级控制”思想的体现。主控制器告诉ALU控制器：“这是一条R型指令”。ALU控制器会进一步查看指令的funct字段来确定具体是做加法、减法还是逻辑运算。

  • RegWr (RegWrite) = 1： 计算结果需要被写入目标寄存器。

  • Jump = 0： 这不是跳转指令。

2. lw 指令 (OpCode = 100011)

• 功能：从存储器加载一个字到寄存器，如 lw rt, offset(rs)。

• 控制信号解读：

  • RegDst = 1： (注意：这里表格中的1与经典MIPS设计不符，是一个很好的思辨点)。标准的MIPS lw指令将数据写入rt寄存器（指令的[20:16]位），此时RegDst应为0。如果RegDst为1，则意味着目标是rd寄存器，这是一种非标准的设计。在考研中，请以教材的标准为准，即lw的RegDst为0。

  • Branch = 0： 不是分支指令。

  • MemtoReg = 1： 核心信号！ 这条指令的精髓在于将从数据存储器（Data Memory）读出的值写回寄存器，所以这个信号必须为1。

  • WE (MemWrite) = 0： 我们是从存储器读数据，而不是写。

  • ALUSrc = 1： ALU需要计算地址，其第二个操作数是指令中经过符号扩展的offset（立即数）。

  • ALUOp = 00： 主控制器告诉ALU控制器：“要做加法”，以计算 rs寄存器值 + offset。

  • RegWr (RegWrite) = 1： 从存储器读出的数据最终要写入rt寄存器。

  • Jump = 0： 不是跳转指令。

3. sw 指令 (OpCode = 101011)

• 功能：将寄存器的数据存入存储器，如 sw rt, offset(rs)。

• 控制信号解读：

  • RegDst = ×： 无关项(Don't Care)。因为sw指令不写入任何寄存器（RegWrite=0），所以最终写哪个寄存器都无所谓，这个信号是0是1都可以，这在设计组合逻辑电路时有助于化简。

  • Branch = 0： 不是分支指令。

  • MemtoReg = ×： 同样是无关项。因为不写寄存器，所以选择写回的数据来源（ALU还是存储器）也变得无意义。

  • WE (MemWrite) = 1： 核心信号！ 这条指令的唯一目的就是向数据存储器中写入数据。

  • ALUSrc = 1： 和lw一样，ALU需要计算地址，第二个操作数是立即数offset。

  • ALUOp = 00： 和lw一样，ALU执行加法来计算地址。

  • RegWr (RegWrite) = 0： sw不写回寄存器，这是它和lw的关键区别之一。

  • Jump = 0： 不是跳转指令。

4. beq 指令 (OpCode = 000100)

• 功能：如果两个寄存器相等，则分支跳转，如 beq rs, rt, label。

• 控制信号解读：

  • RegDst = ×，MemtoReg = ×，RegWr = 0： beq指令不写寄存器，所以这些都无关或无效。

  • Branch = 1： 核心信号！ 激活分支逻辑。最终是否跳转，还要看ALU计算结果的Zero标志位是否为1。

  • WE (MemWrite) = 0： 不访问数据存储器。

  • ALUSrc = 0： ALU的两个操作数都来自寄存器（rs和rt），用于比较。

  • ALUOp = 01： 主控制器告诉ALU控制器：“要做减法”。通过判断 rs-rt 的结果是否为0，来判断rs和rt是否相等。

  • Jump = 0： 这是一条条件分支指令，不是无条件跳转。

5. jump 指令 (OpCode = 000010)

• 功能：无条件跳转到指定地址。

• 控制信号解读：

  • Jump = 1： 核心信号！ 激活无条件跳转的数据通路，直接用指令中给出的地址更新PC。

  • 其他大部分信号都是0或无关项（×）： 因为jump指令不写寄存器、不访问存储器、也不使用ALU进行计算（它的地址计算有专门的通路），所以数据通路上的大部分部件都处于不活动状态。