504-访存指令的控制信号

对于MIPS这样的指令系统来说， 其运算指令是不能直接访问存储器的， 因此，我们还需要设计单独的访存指令， 用来完成寄存器和存储器之间的数据传输。 在这一节，我们就来看一看这一类访存指令是如何生成控制信号的。
　　对于我们要实现的这个处理器，访存指令都是属于I型指令， 一条是load，一条是store，我们分别来进行分析。

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load指令

对于load指令， 首先当然也是取指；然后根据运算出的地址，访问数据存储器，并将读出的内容写入到rt指定的寄存器中； 最后，是更新PC寄存器。 那第一步和第三步，与运算指令都是一样的，在这里，我们就只讲解第二步相关的操作。

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这是我们的数据通路，如果当前IFU 取回的是一条load指令，那这些控制信号将会如何设置呢？ 首先，下一条指令的地址应该还是采用PC+4的方式。 然后我们来看寄存器堆这一边，rs和rt都是固定连接到了指令编码的对应位域， 因此，busA和busB这两组信号上，分别是由rs和rt所指定的寄存器的内容。 但我们要注意，对于这条指令，我们想要运算的是rs寄存器中的内容和立即数的符号扩展进行加法。 因此，对于ALU的第二个操作数的来源， 我们应该通过这个多选器，选择通道1，并且设置扩展部件为符号扩展的功能。 这样，指令位域中的16位立即数就会经过符号扩展，最终连接到了ALU的第二个输入端， 而我们发送到ALU的控制信号，则是要设置为加法运算。 这样，ALU就会完成了访存地址的运算， 并将地址信号送到数据存储器的地址输入端。

同时我们也要注意，busB上的信号，也会被连接到数据存储器的数据输入端， 虽然我们并不需要它，但是这根信号仍然会把Rp所指定的寄存器的内容送过来。 所以我们需要设置数据存储器的写使能信号， 把它设为0，保证了数据存储器的内容不会发生改变。

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然后我们来看最后这个多选器， 这个多选器的两个输入，一个是ALU的运算结果，就是访存的地址； 另一个是从数据存储器当中，读出的数据。 那么对于这条指令，我们显然希望把后者送到寄存器堆当中去， 因此对于这个多选器来说，我们需要设置它的选择信号为1， 这样我们就可以把数据存储器的输出传送到寄存器堆的数据输入端， 而且因为我们要写入rt所指定的寄存器, 所以我们需要设置寄存器堆的写使能信号为有效， 并把写入寄存器编号的来源设置为rt， 这样，在下一个时钟上升沿到来的时候， 数据存储器输出的内容，就会被写入到rt所指定的寄存器当中去了，而且在同样的这个时钟上升沿，PC寄存器的内容也不会被更新为PC+4， 这就是load指令所完成的操作。

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store指令

然后我们来看store指令， store指令也分为三步，同样，我们也只看其中的第二步。 对于store指令，我们也需要将rs寄存器中的内容和立即数的符号扩展进行加法运算，并以此作为地址访问数据存储器， 不过不是读出，而是写入，

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因此，对应到数据通路上，我们就直接标出了对于store指令，有效的这些信号。 那这些控制信号又该如何设置呢？ 那你不妨自己想一想，然后我们一起快速地浏览一遍。

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对于IFU，我们要选择下一条指令的地址， 仍然是PC+4，我们要选择ALU的数据的输入， 现在我们选的是立即数的符号扩展， 而对于ALU，我们依然要选择加法的运算类型， ALU的运算结果，依然是一个地址，会被送到数据存储器上， 但是与之前不同的是，这条指令要完成向数据存储器的写操作， 所以在这里，我们会把数据存储器的写使能信号置为有效。 这样，在下一个时钟的上升沿，数据存储器 就会采样其数据输入端的信号，但这个输入端的信号又是什么呢？ 我们可以看一看，实际上它连到了busB，而 busB是由rt这个信号所指定的寄存器中的内容。 因此，在下一个时钟上升沿到来的时候， 数据存储器会根据ALU算出来的地址，选中对应的存储单元， 并采样这个来自rt寄存器当中的内容， 将它存到对应的存储单元中去。 对于store指令来说，它就完成了它所需要做的主体的操作， 但是对于这个数据通路，我们必须要把剩下的控制信号都设置完整。 我们来看后面这个多选器，因为对store指令，我们不需要改写寄存器堆的内容， 所以无论选择哪个通路，都是没有意义的。 在这里，我们就设置这个控制信号，可以是0，也可以是1，就用x来进行标记。 那这样，这个多选器总会选出一组信号， 最终送到寄存器堆的数据输入端。 不过，这没有关系，我们只需要设置寄存器堆的写使能信号为无效， 在时钟上升沿到来的时候，寄存器堆的内容就不会发生改变。也正因为如此， 这个要写入的寄存器编号，无论设成rb还是rt，也都是可以的， 这就是对于store指令的控制信号的设置方法。

小结

现在，我们已经掌握了访存指令是如何生成控制信号的， 再加上之前的运算指令，我们就可以编写程序，让计算机完成相应的任务了。 不过，如果我们想编写出功能更为强大的程序， 那只有运算指令和访存指令是不够的，我们还需要改变程序流向的分支指令， 这一点，我们在下一节继续分析。