505-分支指令的控制信号

分支指令，是一类特殊的指令， 它能够改变程序的流向，因此，想要执行分支指令， 我们还需要对现有的结构，进行进一步的改造。
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在我们现在这个事例的指令系统当中，分支指令只有一条， 它的格式是I型的，那我们首先来看一看分支指令是如何工作的。

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汇编代码

左边是一段C语言的代码，是一段典型的if else语句， 那我们看对应如何产生MIPS的汇编语言代码，会是怎么样的。 首先就是一条beq的分支指令， 看来编译器已经把 i 和 j 这两个局部变量 分别放到了s3和s4这两个寄存器当中， 那么这条指令就是比较s3和s4的值， 如果它们相等，则会跳转到True这个标号所标明的地址。 那么这里是一条加法指令，这条指令就是执行了f=g+h这条语句， 也就是C语言代码当中，if条件为真时，所要执行的语句。 执行完这条语句之后，程序将顺序地执行后面的内容。 而如果if语句的判断条件不成立，那对应的这条beq 指令在执行时，也会发现s3和s4寄存器的内容不相等， 从而不发生分支转移，而是执行顺序的后一条指令。 后一条指令是一条减法指令， 那与刚才我们看到的那条加法指令相对应，实际上，它执行的就是f=g-h这条语句， 也就是C语言当中，else的这条语句。 那么执行完这条指令之后，下一条指令是一条无条件的转移指令， 直接跳到Next，那这就是应用条件分支指令的实例。 那我们就来看一看beq这条指令的控制信号是如何生成的。

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beq指令

beq指令的操作，同样也可以分为三步， 第一是取指令；第二条，是判断rs和rt两个寄存器的内容是否相等， 那我们可以用一个减法来进行判断；第三步，是更新PC寄存器。 那么对于beq指令来说，所谓的分支，就是如何去改写PC寄存器， 所以它的重点在于第三步。

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我们先来看条件不成立的 情况，也就是else对应的PC=PC+4， 那在转移条件不成立的时候，我们是顺序执行后一条指令， 这就和其他的运算指令、访存指令是一样的。

那如果条件成立的时候，PC的更新条件则相对复杂一些， 其中也有PC+4，然后需要加上这个16位的立即数的符号扩展，并乘以4， 也就是说，在beq指令当中，所带的这个立即数， 也就是刚才在事例中出现的那个目标地址的标号True， 它实际的数值，是转移目标地址和下一条指令地址之间的差值， 而且这个差值是以4个字节，也就是32位为一个单位的， 那么这个规则，是在指定MIPS指令系统的时候约定的。 我们现在重点是看如何去实现相应的控制信号。

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同样，我们直接来看第二步，那么对于这一步， 要做的操作包括，从寄存器堆当中，取出两个寄存器的内容，而且进行减法运算， 那这个操作和我们之前学习的减法指令需求是一样的， 因此，现有的结构不需要修改，就可以完成这个功能。 我们注意，当取回一条指令之后，rs的位域被连接到寄存器堆， 它所指定的寄存器的内容，会放到busA上，然后连接到ALU的一个输入端， rt位域的信号会被连接到寄存器堆的Rb的输入端， 它所指定的寄存器的内容，会通过busB信号，再经过这个多选器 传递到ALU的另一个输入端，然后这个ALU就可以执行这个减法，

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不过问题在于，之前的减法运算指令，会将这个ALU 运算的结果，通过这个多选器之后，写回到寄存器堆当中去， 而beq指令是不需要写回寄存器堆的，而且也不应该写回。 我们希望通过这个ALU，得出一个判断，就是这个减法操作的结果是不是0。 因此，我们还需要增加一个新的功能，来完成这样的一个判断，

判断一个数是否等于0，是非常简单的，所以我们可以很轻松地在ALU当中增加这个功能， 并让ALU提供一个信号的输出，标明当前的运算结果是否为0， 我们把这个信号命名为zero。 如果运算结果为0，ALU会把zero信号置为1，否则，置为0。 那因为运算结果是否为0，将会影响到IFU如何去更新PC寄存器， 所以我们需要把zero信号连接到IFU， 这样，我们就可以把第二步操作的描述补充完整。 那么在这一步操作中，这些控制信号又是如何设置的呢？

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首先，下一个PC的选择方式，我们就不能再设置为+4了， 但是究竟如何更新，IFU还需要做一些工作，这个我们一会儿 再说。所以我们先把这个选择信号标记为branch， 然后我们再来看其他的控制信号。 现在我们已经知道，ALU要执行一个减法运算， 而且它的两个操作数都应该来自寄存器堆， 所以这一个多选器就应该选择通道0。 由此，扩展部件功能选择信号可以任意设置， 而ALU的功能选择信号，则需要设置为减法，那现在虽然我们新增了这个zero信号， 但是ALU原本的功能还是必须保持的。所以，当我们设置ALU执行减法运算时，它的输出 依然会是减法运算的结果，并送到数据存储器的地址端和下一个多选器的0号通道。 那为了保证数据存储器不被改写，那我们还要设置数据存储器的写使能信号为0。

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那对于条件分支指令来说，它是不要回写寄存器堆的， 所以这个多选器无论选择哪一条通道，都是没有意义的， 那我们可以把它的选择信号任意设置为0或者1。 最后我们来看寄存器堆这一边，因为不需要回写寄存器堆， 所以我们必须要设置寄存器堆的写使能信号为0，以免错误地更改其中的内容， 那因为写使能信号已经设为0，那寄存器堆的写入寄存器的编号，则可以任意的设置。 这样，我们就可以看出，beq指令执行时真正有效的信号了。

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不过我们要注意，这一步仅仅是完成了判断， 那我们还要根据判断的结果，对PC寄存器进行更新， 因此，这条指令的第三步和其他指令是不一样的。 那好，现在对于IFU来说，它有了两个输入的信号， 一个是之前就有的nPC_ select，还有一个是我们后来增加的zero， 而我们知道，对于IFU如何更新PC寄存器， 其关键，就是这个多选器如何选择的问题。 它的0号通道连接的是PC+4，1号通道连接的是分支指令的目标地址。 那现在我们这个选择信号应该如何生成呢？ 我们不妨把输入列一个表，来进行观察。 当nPC_select的信号为0的时候，就代表当前在执行的指令是运算指令，或者是访存指令，而不是分支指令，那在这个时候，无论zero信号是0还是1， 这个多选器都应该选择0号通道，从而顺序地执行下一条指令。

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而当nPC_select的信号等于1时，说明当前正在执行一条分支指令， 但如果此时zero信号为0，表示分支的判断条件不成立， 那这个多选器仍然应该选择0号通道，从而顺序地执行下一条指令。 只有当nPC_select的信号为1，说明当前是一条分支指令， 而且sero信号也为1，说明当前的判断条件成立， 这时，这个多选器才可以选择1号通道，从而将分支的目标地址更新到PC寄存器当中去， 这样在下一个时钟周期， 指令存储器就会将分支目标地址所指向的那条指令的编码送出来，从而实现指令执行流向的改变。

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那通过这张表，我们是否能够得出，这个多选器的控制信号的生成方法呢？ 请你想一想。 给一点提示，实际上只需要一个逻辑门就可以了。

如果还没有想出来，那我们不妨回来再观察一下，对于这个多选器的选择信号，只有在nPC_select和zero信号都为1时，它才会为1， 在其他时候，这个选择信号均为0。 那这个描述大家是不是很熟悉呢？这是哪个逻辑门的功能描述？ 我们还是来看最右边吧， 其实，只需要一个与门就可以了。

那基于这样的分析，我们就可以对IFU进行进一步的改造， 从而支持beq指令的需求。 不过这里还有一个问题，那就是分支目标地址究竟是如何生成的？ 那现在我们就来完成最后这一项工作，这个分支目标地址有两个部分， 一部分是PC+4， 一部分是对立即数进行符号扩展，然后乘以4， 而这个立即数就是指令编码当中的低16位， 因此，我们先把这一部分信号连出来。 现在，我们把这个立即数取出来，连接到一个符号扩展的部件上， 对于这个符号扩展的部件，我们再增加一个很简单的小功能，就是向左再移动两位， 左移两位就相当于乘以4， 因此经过这个部件，我们将这16位的立即数扩展成了32位，并且完成了乘以4的操作。 那现在我们有了这个算式的后半部分，而前半部分是PC+4， 幸运的是，我们现在已经有了PC+4，就是这个加法器的输出， 那我们只需要直接把它连出来，然后再增加一个加法器，这样就可以得到了分支指令的目- 标地址， 现在这个IFU，我们也已经补充完整了。

小结

现在，我们已经分析完了这个指令系统当中的最后一条指令了。 那我们已经知道，对于每一条指令， 每一个控制信号，我们应该赋予什么样的值。 但是还有一个问题，我们依然不是很清楚， 就是这些信号的值，是如何自动地产生的呢？ 我们在下一节就来一起探讨这个问题。