单周期CPU设计（本次内容，将在上课时随机提问）

PPT第5章 第2部分预习题目

一、         预习内容及相关问题

(一)     什么是R,I,J型指令，它们的特点？

（二）R型指令的数据通路 （指令功能与其对应的逻辑结构）

功能：R[rd] ← R[rs] op R[rt]，如：add    rd, rs, rt

第2版图5.15（第3版图5.9）

1. 第2版图5.15（第3版图5.9） R型指令的数据通路中busA ,busB的数据来自哪里？与Rt,Rs 有何联系？
2. 第2版图5.15（第3版图5.9）中 通用寄存器有多少个？
3. 写寄存器的控制信号是？如何选择所要写如的寄存器？结果通过那条传输线写回寄存器
4. R型指令对ALU有几种操作？

（三）I型指令的数据通路（指令功能与其对应的逻辑结构）

1. I型指令：I型立即数运算指令的数据通路

  1）书中的表5.2中的11条指令中，有哪几条指令是I型指令立即数运算指令？源操作数寄存器如何确定？目标寄存器？

2）第2版 图5.16（第3版图5.10） I型指令立即数运算指令取指后，Rt选择的寄存器内容输出到busA? busB? 对结果有影响吗？

3）第2版 图5.16（第3版图5.10） 相对于图第2版5.15（图5.9）增加哪几部分？需要增加的控制信号及其作用？

4）第2版图5.16（第3版图5.10） I型指令立即数运算指令涉及对ALU有几种操作？

2 I型指令：Load/Store 指令的数据通路

1）  Load指令的功能是什么？

2）  Store指令的功能是什么？

3）  对照第2版图5.17（第3版图5.11），在第2版图5.16（第3版图5.10）数据通路上基础上，加哪些元件和连线？用何控制信号？

4）  这两类指令中的16位的带符号立即数进行符号扩展为32位，怎么扩展？

5）  第2版图5.17（第3版图5.11） Load/Store指令涉及对ALU有几种操作？

3.分支指令的数据通路

beq rs, rt, imm16

  1）分支指令的功能？

  2）判断的条件是什么？用到ALU有几种操作? 用到标志位？标志位怎么用？

  3) 第2版图5.18（第3版图5.12） 比第2版图5.17（第3版图5.11） 增加了哪些单元？增加了哪些控制信号？

  4）第2版图5.18（第3版图5.12）中两处出现了imm16，它们的作用一样吗？

5）解释图第2版5.19（第3版图5.13）工作原理。

（四）J型指令的数据通路 （指令功能与其对应的逻辑结构）

1）J指令的取指数据通路在第2版图5.20（第3版图5.14）中吗？若，没有，请指出是在哪个图中？

2）第2版图5.20（第3版图5.14）比第2版图5.19（第3版图5.13）增加了什么单元和控制信号？

3）第2版图5.20（第3版图5.14）的设计，新的PC值能否影响旧值，而影响当前指令执行？

（五）ALU的数据通路设计

  根据指令集中R,I,J指令数据通路中用到的ALU操作进行详细设计。

1）    R,I,J指令数据通路中共用几种ALU操作？可以用几位表示这些操作？

2）  第2版图5.13（第3版图5.7） ALuctr 是几位？如何得到的？

3）  第2版图5.13 （第3版图5.7）中3个MUX起什么作用？

4）  ALU的加减控制信号是哪一个？

5）  ALU标志位如何使用？

（六）控制逻辑单元设计

根据第2版图5.22（第3版 图5.16）完整的数据通路，分析控制信号取值。分析方法可参考PPT的第5章第一部分的第2，3节，第2版教材162-169（第3版 143-150）

因为取指阶段每一条指令都相同，故分析R,I，J各指令执行阶段。

1 分析每一条指令正确执行阶段的数据通路时，所有控制信号的取值，并进行列表，与表5.4对照

2 理解分层（多层）译码思想，教材P.166;参考本校教学平台本课程“教学资源”中第5章“计算机组成与设计：硬件 软件接口（第3版-中文.pdf，p195-197）,在此基础上，分析表5.5，ALUop如何设计？

3．以上根据1，2内容，填写主控单元真值表：

2 控制单元设计

1） 主控制器控制信号产生，请按照表5.4，表5.5写出控制信号表达式

Branch=

RegWr

ALUOP<2>=

ALUOP<1>=

ALUOP<0>=

R-type=

2） R型指令的涉及ALU控制信号的生成，即ALUctr<2:0>，如表5.6所示，写出控制信号表达式

ALUctr<2>=

ALUctr<1>=

ALUctr<0>=

二、参考资源

1 教学视频（袁春风老师，爱课程官网）

https://www.icourses.cn/sCourse/course_5884.html

2. 本校教学平台本课程“教学资源”中袁春风老师课件第5章“单周期CPU设计”

3. 本校教学平台本课程“教学资源”中第5章“计算机组成与设计：硬件 软件接口（第3版-中文.pdf，计算机组成与设计：硬件 软件接口（第3版，英文）.pdf”