单周期数据通路设计：存数指令解析

"存数(sw)指令的数据通路-第一讲单周期数据通路的设计第二讲单周期控制器的设计第-资料" 在计算机体系结构中，数据通路是执行指令时数据流动的路径，而控制器则是负责生成必要的控制信号来协调这些数据的流动。本资料主要关注的是单周期处理器中的存数(sw)指令的数据通路设计。存数指令用于将寄存器(Rt)中的数据存储到内存中某个地址，该地址由寄存器(Rs)的值加上一个16位立即数SignExt[imm16]计算得出。 数据通路的运作如下： 1. **寄存器文件**：包含多个32位寄存器，如Rs、Rt和Rd。Rs和Rt提供指令所需的操作数，Rd通常不用于存数指令。 2. **地址计算**：Rs的值被送到busA，16位的立即数imm16通过扩展器(Ext)进行符号扩展得到32位的地址偏移量。ALU（算术逻辑单元）使用ALUctr(控制器信号)执行加法操作，将busA和扩展后的imm16相加，计算出最终的内存地址。 3. **数据通路**：Rt寄存器的值通过busB送至数据内存(Data Memory)的Data In总线，准备写入内存。这里，busB的扩展(DataIn)是为了连接Rt寄存器到内存数据输入。 4. **控制信号**：控制单元必须确保RegWr为0，因为存数指令不执行任何寄存器写操作。其他关键控制信号包括ALUctr(用于指定ALU操作)，ExtOp(用于扩展操作)，ALUSrc(指示ALU的源操作数)，MemWr(控制内存写操作)，以及MemtoReg(通常用于Load指令，不适用于Store指令)。 5. **指令格式**：sw指令的格式包括6个操作码位(op)，5位源寄存器(rs)，5位目的寄存器(rt)，以及16位立即数(imm16)。 6. **性能因素**：计算机性能受指令数目、CPI(每条指令周期数)和时钟周期影响。CPU设计直接影响这些因素，从而影响计算机性能。CPU由执行部件（数据通路，包括运算部件如ALU）和控制部件（控制器，包括指令寄存器IR、程序计数器PC和指令解码器）组成。 7. **ALU核心**：ALU以加法器为基础，执行各种算术和逻辑运算，是运算部件的核心。 8. **数据路径的定时**：确保数据在正确的时间到达正确的地点，以执行指令。 9. **控制逻辑**：通过解码器生成控制信号，指导数据通路中的操作，如多路选择器的选择、ALU的操作等。 存数指令的数据通路设计涉及了寄存器文件、ALU、扩展器、数据内存以及复杂的控制逻辑，这些组件协同工作以完成将数据从寄存器写入内存的过程。理解这些概念对于理解计算机体系结构和指令执行流程至关重要。