MIPS单周期设计

1. 取指部件 (Instruction Fetch)

• 核心逻辑：PC $\to$ Instruction Memory $\to$ Instruction。同时 PC = PC + 4。
• 多路选择：如果是 Branch/Jump 指令，PC 的更新值来源不同（PC+4 vs. Branch Target vs. Jump Target）。

2. 执行部件 (Execute)

根据指令类型，ALU 的输入来源不同：

• R-Type：Reg[rs] 和 Reg[rt]。
• I-Type (ALU)：Reg[rs] 和 Imm16 (需符号扩展)。
• Load/Store：Reg[rs] 和 Imm16 (计算内存地址)。
• Branch：Reg[rs] 和 Reg[rt] (做减法比较)。

3. 控制信号 (Control Signals)

这是 CPU 的神经系统。控制单元（CU）根据 Opcode 生成信号：

• RegDst：写到 rt 还是 rd？
• ALUSrc：第二个操作数是寄存器还是立即数？
• MemtoReg：写回寄存器的数据来自 ALU 还是内存？
• RegWrite：是否写寄存器？（Branch/Store 不写）。
• MemWrite：是否写内存？（只有 Store 写）。
• PCSrc：下一条指令是 PC+4 还是分支目标？

4. 实战推演 (Mental Simulation)

以 lw $1, 100($2) 为例：

1. 取指：读指令，PC+4。
2. 译码：读 $2 的值。
3. 执行：ALU 计算 $2 + 100。
4. 访存：从内存读取地址处的数据。
5. 写回：将数据写入 $1。

• 注意：这是关键路径最长的一条指令。

[!注意] 注意 单周期 CPU 的时钟周期取决于最长的那条指令执行的时间

5. 关联链接

• 汇编语言：机器码如何映射到这些控制信号。