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计算机组成与实践 -控制单元（Control Unit）

一.控制概述

数据通路中的控制

数据通路

ALU需要实现正确的运算

多个单元的信号来源有多种选择（寄存器、ALU、加法器、多选器、符号扩展、存储器等）

状态单元的写入需要写控制信号与时钟共同决定（寄存器、数据存储器）

ALU控制单元

让各个单元实现正确的功能（运算、读、写）

控制数据流的来源（多选器）

上述控制信息来自于指令

总结：

op字段在31~ 26位
源操作数寄存器rs和rt字段分别在25 - 21位和20 - 16位
lw和sw指令中的基址寄存器是rs（25~21位）
保存写回数据的寄存器有两个：
- lw指令：rt（20~16位）
- R型指令：rd（15~11位）
立即数字段（15~0位）

加入ALU控制单元

aluop

主控制器产生ALUOp信号（2 bits）

ALU控制单元产生ALUcontrol信号（4 bits）

二.ALU控制设计

ALU控制信号

由ALU控制单元生成的4位控制信号及其定义的操作

ALU control输入	操作
0000	与
0001	或
0010	加
0110	减
0111	小于则置位
1100	或非

生成ALU控制信号

由2 bits ALUOp和6 bits funct功能字段生成ALU控制信号
采用多级译码的方法
- 主控制单元生成ALUOp信号（不使用11）
- ALU控制单元生成ALUcontrol信号

指令操作码	ALUOp	指令操作	funct字段	ALU操作	ALUcontrol
lw	00	lw	XXXXXX	add	0010
sw	00	sw	XXXXXX	add	0010
beq	01	beq	XXXXXX	subtract	0110
R类型	10	add	100000	add	0010
R类型	10	sub	100010	subtract	0110
R类型	10	and	100100	and	0000
R类型	10	or	100101	or	0001
R类型	10	slt	101010	slt	0111

ALU控制单元真值表

ALUOp		Funt字段						操作
ALUOp1	ALUOp0	F5	F4	F3	F2	F1	F0
0	0	X	X	X	X	X	X	0010
X	1	X	X	X	X	X	X	0110
1	X	X	X	0	0	0	0	0010
1	X	X	X	0	0	1	0	0110
1	X	X	X	0	1	0	0	0000
1	X	X	X	0	1	0	1	0001
1	X	X	X	1	0	1	0	0111

X:表示与结果无关

ALU控制逻辑实现

根据真值表实现的ALU控制单元逻辑

真值表操作码

三.主控制单元的设计

主控制信号

控制信号源于指令

9位控制信号：7个1位控制信号和2位ALUOp信号

9个信号

带主控制单元的数据通路

在寄存器前有一个控制单元发送这9信号

控制信号：执行R型指令

R-type

截图算了，做表格不方便看

控制信号：执行lw指令

load写回寄存器

注意比较不同

控制信号：执行sw指令

store

写入内存

控制信号：执行beq指令

相等则分支

branch项用于分支

主控制单元真值表

输入或输出	信号名	R型	lw	sw	beq
输入	Op5	0	1	1	0
	Op4	0	0	0	0
	Op3	0	0	1	0
	Op2	0	0	0	1
	Op1	0	1	1	0
	Op0	0	1	1	0
输出	RegDst	1	0	X	X
	ALUSrc	0	1	1	0
	MemtoReg	0	1	X	X
	RegWrite	1	1	0	0
	MemRead	0	1	0	0
	MemWrite	0	0	1	0
	Branch	0	0	0	1
	ALUOp1	1	0	0	0
	ALUOp0	0	0	0	1