单周期和多周期CPU的硬件电路实现区别

区别一：统一的存储器 vs. 分离的存储器

观察： > 通过多路选择器不用区分指令寄存器和数据寄存器了。

精确解读： 多周期CPU使用一个统一的存储器来同时扮演指令存储器和数据存储器的角色，而单周期CPU通常需要将它们物理分离。

• 单周期CPU的困境：在单周期设计中，一条lw指令需要在同一个长周期内既要读取指令，又要访问数据。如果只有一个存储器，就会产生“结构性冲突”——存储器的一个端口在同一时间只能做一件事。因此，单周期CPU通常被描绘成拥有一个独立的指令存储器（Instruction Memory）和一个独立的数据存储器（Data Memory）。这在硬件上是昂贵且冗余的。

• 多周期CPU的智慧：多周期设计巧妙地利用了时间来解决这个冲突。

  • 取指周期（Cycle 1）：CPU总是先从存储器中读取指令。

  • 访存周期（Cycle 4）：只有lw和sw等指令才需要再次访问存储器来读写数据。

  • 由于“取指”和“访存”发生在不同的时钟周期，所以它们可以分时复用同一个存储器。

  • 硬件实现：如图所示，一个由控制信号 IorD 控制的MUX（多路选择器）被放在存储器的地址输入端。

    • 当 IorD = 0 时，选择 PC 作为地址，此时存储器扮演指令存储器的角色。

    • 当 IorD = 1 时，选择 ALU 的计算结果（即数据地址）作为地址，此时存储器扮演数据存储器的角色。

结论：多周期CPU用一个MUX和分时复用的思想，整合了存储器资源，降低了硬件成本。

区别二：增加中间寄存器 (IR) vs. “一穿到底”

观察： > 多了一个IR（指令寄存器）相较于单周期CPU，这里是为什么？

精确解读： IR的出现是多周期设计的必然要求，因为指令的生命周期变长了。

• 单周期CPU的“瞬间记忆”：在单周期CPU中，指令从取指到执行完毕，所有数据就像电流一样“一穿到底”，在一个周期内流过整个数据通路。控制器和各个部件只需要在当前周期使用指令的各个字段，下个周期就是下一条新指令了，无需“记住”上一条指令。

• 多周期CPU的“持久记忆”：在多周期CPU中，一条指令的执行横跨多个时钟周期。

  • 在取指周期（Cycle 1）结束后，PC马上就要更新，为下一条指令的取指做准备。

  • 如果此时不把当前指令保存下来，它的信息就会在Cycle 2开始时丢失！

  • 硬件实现：为了解决这个问题，我们必须引入指令寄存器（Instruction Register, IR）。IR是一个状态元件，它的作用是在Cycle 1结束时“锁存”从存储器读出的指令，并在后续的几个周期（译码、执行、访存、写回）中，为控制器和数据通路稳定地提供这条指令的二进制位。

  • 同理，图中未画出的A、B、ALUOut等也都是为跨周期传递数据而增设的中间寄存器。

结论：IR等中间寄存器的作用是**“状态保持”**，它们是连接多周期CPU各个执行阶段的桥梁，确保指令和数据在跨周期执行时不会丢失。

区别三：复用的ALU vs. 专用的计算单元

观察： > 多周期CPU只需要设置一个ALU，然后通过多路选择器来控制两个输入，具体讲讲这个选择的过程。

精确解读： 这是硬件复用思想最极致的体现。单周期CPU为了并行，需要多个计算单元；而多周期CPU则可以用一个ALU分时完成所有计算。

• 单周期CPU的“兵多将广”：单周期CPU为了在一个周期内完成所有任务，通常需要：

  1. 一个主 ALU 用于R-type运算和lw/sw的地址计算。

  2. 一个独立的 加法器 用于计算 PC+4。

  3. 另一个独立的 加法器 用于计算分支跳转地址。

     这些计算单元是同时工作的，是一种空间上的并行。

• 多周期CPU的“一夫当关”：多周期CPU可以用一个ALU分时完成上述所有工作。奥秘就在于ALU输入端的两个大型MUX（由ALUSrcA和ALUSrcB控制）。

  ALU输入选择过程详解：

  1. 输入A的选择 (由 ALUSrcA 控制)

     • ALUSrcA = 0: 选择 PC。这个路径在什么时候用？

       • 周期1 (取指)：计算 PC+4，为顺序执行做准备。

       • 周期3 (分支)：计算分支目标地址 PC + (offset << 2)。

     • ALUSrcA = 1: 选择从寄存器堆读出的数据Ra（即rs的值）。什么时候用？

       • 周期2 (执行)：对于R-type指令，这是第一个操作数。

       • 周期3 (访存地址计算)：对于lw/sw指令，这是基地址。

       • 周期2 (执行)：对于beq指令，这是被比较的第一个数。

  2. 输入B的选择 (由 ALUSrcB 控制)

     • ALUSrcB = 00: 选择从寄存器堆读出的数据Rb（即rt的值）。用于R-type指令和beq指令的计算。

     • ALUSrcB = 01: 选择常量4。配合输入A的PC，用于在周期1计算PC+4。

     • ALUSrcB = 10: 选择指令中IR[15:0]符号扩展后的立即数。用于lw/sw指令在周期3计算有效地址 (基地址 + 偏移量)。

     • ALUSrcB = 11: 选择立即数符号扩展并左移2位后的值。配合输入A的PC，用于beq指令在周期3计算分支目标地址。

结论：通过精巧的MUX设计和时序控制，多周期CPU让一个ALU在不同周期扮演不同角色，完美实现了计算单元的复用，大幅减少了硬件逻辑门的总量。

总结：单周期 vs. 多周期