单周期CPU数据通路

考情分析

数据通路是理解CPU工作原理的核心，408考研在选择题和综合题中会考"某信号的值""某操作的数据流"。单周期是流水线的基础，理解它才能分析后续的多周期与流水线。

单周期的基本思想

每条指令在一个时钟周期内完成执行，时钟周期长度取决于最慢的指令（通常是 load 指令，需要访问两次存储器：取指 + 访存）。

优点：控制逻辑简单。 缺点：时钟周期被最慢指令拖长，简单指令（如加法）也需等待同样长的时间，效率低。

主要功能部件

部件	功能
程序计数器（PC）	存放当前指令地址
指令存储器	根据 PC 输出指令（只读）
寄存器堆	读写通用寄存器，有两个读端口、一个写端口
ALU	执行算术/逻辑运算，输出结果和零标志
数据存储器	支持读（lw）和写（sw）两种操作
符号扩展单元	将16位立即数符号扩展为32位
加法器	PC+4 计算器；分支目标地址计算器
多路选择器（MUX）	根据控制信号选择不同的数据来源

控制信号

信号	作用
RegDst	选择目的寄存器编号来源（R型用rd，I型用rt）
ALUSrc	选择ALU第二操作数（寄存器rt 或 立即数）
MemToReg	选择写入寄存器的数据（ALU结果 或 内存读出值）
RegWrite	允许写寄存器堆
MemRead	读数据存储器
MemWrite	写数据存储器
Branch	分支控制，与ALU零标志 AND 后控制 PC 选择
ALUOp	告知ALU控制单元执行哪类操作

各类指令的数据通路

R型指令（ADD/SUB/AND/OR/SLT）

格式：op | rs | rt | rd | shamt | funct

数据流：

1. PC → 指令存储器，取出指令
2. 指令中 rs、rt 字段 → 寄存器堆，读两个操作数
3. 两个操作数 → ALU，执行 funct 指定的运算
4. ALU 结果 → 寄存器堆，写入 rd 号寄存器

控制信号：RegDst=1, ALUSrc=0, MemToReg=0, RegWrite=1, MemRead=0, MemWrite=0, Branch=0

lw 指令（Load Word）

格式：lw rt, imm(rs)，功能：$\text{rt}\leftarrow M[\text{rs}+\text{imm}]$

数据流：

1. 取指令
2. 读寄存器 rs
3. 符号扩展 imm（16位 → 32位）
4. ALU 计算 rs + 立即数，得到有效地址
5. 有效地址 → 数据存储器，读出数据
6. 读出数据 → 寄存器堆，写入 rt

控制信号：RegDst=0, ALUSrc=1, MemToReg=1, RegWrite=1, MemRead=1, MemWrite=0, Branch=0

sw 指令（Store Word）

格式：sw rt, imm(rs)，功能：$M[\text{rs}+\text{imm}]\leftarrow \text{rt}$

数据流：

1. 取指令
2. 读寄存器 rs 和 rt
3. 符号扩展 imm
4. ALU 计算基址 + 偏移 = 有效地址
5. rt 的值 → 数据存储器，写入有效地址

控制信号：RegDst=x, ALUSrc=1, MemToReg=x, RegWrite=0, MemRead=0, MemWrite=1, Branch=0

beq 指令（Branch if Equal）

格式：beq rs, rt, label，功能：若 rs == rt，则 PC ← PC+4 + imm×4

数据流：

1. 取指令，同时 PC+4 计算完毕
2. 读寄存器 rs 和 rt
3. ALU 计算 rs - rt，检查零标志 Zero
4. 符号扩展后左移2位的偏移量 + (PC+4) = 分支目标地址
5. 若 Zero=1 且 Branch=1，则 PC ← 分支目标地址；否则 PC ← PC+4

控制信号：RegDst=x, ALUSrc=0, MemToReg=x, RegWrite=0, MemRead=0, MemWrite=0, Branch=1

控制信号汇总表

指令	RegDst	ALUSrc	MemToReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch
R型	1	0	0	1	0	0	0
lw	0	1	1	1	1	0	0
sw	x	1	x	0	0	1	0
beq	x	0	x	0	0	0	1

x 表示无关项（don't care）。

交互可视化

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考点清单

• 单周期 CPI = 1，但时钟周期由最慢指令决定（通常是 lw）
• 指令存储器和数据存储器分开（哈佛结构），避免取指和访存冲突
• R型指令不访存，但仍需等待完整的时钟周期
• beq 使用 ALU 做减法来判断相等，而不是专用比较器
• 分支目标地址 = PC+4 + 符号扩展(imm) × 4（立即数单位是字，需左移2位转换为字节偏移）
• RegDst、MemToReg 等信号的 x（无关项）不影响功能但影响电路设计

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