题目

假定 43 题中计算机 C 的部分数据通路如题 44 所示。

图中带箭头虚线代表控制信号，IR.rt、IR.rs 分别表示 IR 中的 rt、rs 字段，IR₁₁₋₀ 为 IR 的低 12 位，要求取指令周期完成 PC 增量操作，请回答下列问题

（1）①和②是同一类部件，其名称是什么（1 分）

（2）I 型指令中 imm8 可以是带符号或无符号整数，M 型指令中 offset 是带符号整数，则 EXTOP 至少有几位？为什么？（2 分）

（3）取指周期中 MARSrC、ALUA SrC、ALUB SrC、RegWr 的取值各是什么？（4 分）

（4）左移指令周期中 ALUB SrC、RegWsrc、RegDst、RegWr 的取值各是什么？Extop 是否可以与 M 型指令中的 EXTop 相同？为什么？（2 分）

解析

本题在 2026-43 的指令系统之上，就一个单总线 / 多路选择器风格的 CPU 数据通路考查 多路选择器识别、立即数扩展宽度、取指阶段控制信号、左移指令控制信号。

通用思路：每一类指令在每一阶段都对应一组确定的控制信号取值。读题时先想清楚"这一拍数据流向哪里"，再去逐一确定每个控制信号。

控制信号速查（以图 44 约定）：

信号	含义
MARSrc	MAR 取值来源：PC 还是 ALU 输出
ALUASrc	ALU 的 A 端：PC 还是寄存器
ALUBSrc	ALU 的 B 端：寄存器 / 常数 / 立即数
RegWr	是否写寄存器（0 = 不写）
RegWsrc	写回数据来自 ALU 还是 MDR
RegDst	写到 R[rs] 还是 R[rt]
EXTop	立即数扩展模式：零扩展 / 符号扩展

(1) ① 和 ② 是什么部件 [1 分]

多路选择器（MUX）。

理由： 不同指令类型对寄存器编号的取法不同——

• R 型指令读 / 写 rs、rt（来自 IR.rs / IR.rt 字段）；
• M 型指令固定取 R[0] 作存数 / 取数寄存器、R[15] 作基址。

需要在 "IR 字段" 与 "固定 0 / 15" 之间二选一 → 多路选择器。

(2) EXTOP 至少几位 [2 分]

1 位。

理由： 题干给出三类立即数情形：

• I 型 imm8 当带符号 → 符号扩展；
• I 型 imm8 当无符号 → 零扩展；
• M 型 offset 当带符号 → 符号扩展。

总共只有 零扩展 / 符号扩展 两种模式，1 位即可编码（0 表零扩展，1 表符号扩展）。

易错点： "EXTop 几位"看的是有多少种扩展模式，不是有多少种指令。本题虽然有 R/I/M 三种指令格式，但扩展操作只有 2 种，故 1 位足够。

(3) 取指周期的 4 个控制信号 [4 分]

取指阶段要做的事：

1. 把 PC 当作主存地址送 MAR；
2. 读主存把指令送 IR；
3. 同时把 PC + 2 算出，更新 PC（题目要求"取指周期完成 PC 增量"）。

逐个确定：

信号	取值	理由
MARSrc	0	MAR 地址来自 PC（不是 ALU 输出）
ALUASrc	0	ALU 的 A 端用 PC（要算 PC + 2）
ALUBSrc	1	ALU 的 B 端取常数 2（PC 增量用常量）
RegWr	0	取指阶段不写通用寄存器

编者注（生僻术语）： "取指期完成 PC 增量"是教学型 CPU 的常见简化——把 PC 自增的 ALU 操作和指令读取并行做，省一个时钟周期。真实 CPU 里通常用 专用 PC 加法器（不与主 ALU 共用），同样能并行。

(4) 左移指令周期的控制信号 + EXTop 是否同 M 型 [2 分]

左移指令是 R 型（OP1 = 0010，从 2026-43 (4) 推得 num 字段直接当移位位数）。

执行阶段动作：把寄存器内容左移立即数指定的位数，写回 rt。

信号	取值	理由
ALUBSrc	2	ALU B 端取扩展器输出的立即数（移位量）
RegWsrc	1	写回数据来自 ALU 输出（不是 MDR，未访存）
RegDst	1	写到 R[rt]（按指令格式）
RegWr	1	必须写寄存器（结果 R[rt] ← R[rt] << num）

EXTop 与 M 型的对比：

• M 型：offset 是带符号整数 → EXTop = 1（符号扩展）；
• 左移指令：num 字段是无符号移位位数（从来不是负移位）→ EXTop = 0（零扩展）。

结论：左移指令与 M 型的 EXTop 不同。 左移用零扩展，M 型用符号扩展。

易错点： "立即数扩展"不是只有一种——要看立即数的语义。地址偏移可正可负，必须符号扩展；移位位数恒为非负，零扩展即可。两者使用同一个扩展器但 EXTop 取值相反。