重要問題⑥：ロード命令実行の様子ger/Lectures/C-CompArch2012/...①命令メモリからのフェッチとPCの繰り上げ...

重要問題⑥：ロード命令実行の様子ロード命令の lw $t0, 12($s0)の実行に関して、以下の各ステップのデータパスを図示せよ。また、その時の各MUXへの制御入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）

lw $t0, 12($s0) 100011 00000000000011000100010000op rs rt address

①命令メモリからのフェッチとPCの繰り上げ31-26 25-21 20-16 15-0

$t0$s0 +12lw

①命令メモリからのフェッチとPCの繰り上げ②レジスタファイルからの1つのレジスタrsの読出し（この間に主制御ユニットが制御信号を生成）

③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（足されるのは、②のレジスタとoffset の値）

（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）

②④③で計算した値をアドレスとしてデータメモリをアクセス⑤④で読み出したメモリの値をディスティネーションレジスタに書き込み

10次世代コンピューティング研究室山下茂 [email protected]

＊この問題は、図4.16を見ながら回答してよし。

①命令メモリからのフェッチとPCの繰り上げ

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead

MemWriteALUOpMemtoReg命令[31:26]

0

この制御線の値は実際には、もう少し後で決定さ

読出reg1読出

読出reg1 ゼロ判定

命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]

MemWriteALUSrcRegWrite

AND し後で決定される

レジスタ ALU ALU結果読出reg2書込reg

書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01

データ 4 メモリ書込データ

符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


②レジスタファイルからの1つのレジスタrsの読出し（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）⇒値は次のページ

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01$s0をここで指定


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


RegDst= 0（所望のデータパスの作成のため）ALUSrc= 1（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg= 1（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg= 1（所望のデタパスの作成のため）RegWrite= 1（レジスタに書きこむので）MemRead= 1 (メモリを読むので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）Branch= 0 （beq命令でないので）ALUOp1= 0（lw/sw命令なので）

（命令な）ALUOp0 =0 （lw/sw命令なので）

＊これらの信号の値は、そのクロック周期中はずっと同じ値となっていると考えてください。


③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（足し算）（足されるのは ②のレジスタとoffset の値）

加算4 M0

（足されるのは、②のレジスタとoffset の値）

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0]

ALU制御コードは0010 (add)

符号拡張

ALU制御

命令[5:0]

ALUの下側の入力は、命令[15:0]の値を３２ビットにしたもの（この例ではその


（この例では、その値は１２）

④③で計算した値をアドレスとしてデータメモリをアクセス

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


⑤④で読み出したメモリの値をディスティネーションレジスタに書き込み

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]

命令[20:16]が、書き込みレジスタの指定


定

重要問題⑦：beq命令実行の様子ロード命令の beq $s1, $s2, 100 の実行に関して、

以下の各ステップのデータパスを図示せよ。また、その時の各MUXへの制御入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）

beq $s1, $s2, 100 000100 00000000000110011001010001op rs rt address

$s2$s1 25beq

①命令メモリからのフェッチとPCの繰り上げ①命令メモリからのフッチと Cの繰りげ②レジスタファイルからの２つのソースレジスタの読出し（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）

③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（減算）同時にPC+4 + (offset*4) の計算( )

④ALUのゼロ判定出力に基づき、PCに格納する値を選択


＊この問題は、図4.16を見ながら回答してよし。


この制御線

加算4 M0


命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


し後で決定される(分岐の場合１）その正しい値には

後ほどセト

読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND 後ほどセットされる


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


②レジスタファイルからの２つのソースレジスタの読出し（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）⇒値は次のページ

加算4 M0

（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）⇒値は次のペジ

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX



符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0]$s2をここで指定符号

拡張ALU制御

命令[5:0]

$s2をここで指定


RegDst= ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）ALUSrc= 0（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg=ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）MemtoReg=ｘ（所望のデタパスの作成には無関係）RegWrite= 0（レジスタに書きこむので）MemRead= 0 (メモリは読まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）Branch= 1 （beq命令なので）ALUOp1= 0（beq命令なので）

（命令な）ALUOp0 =1 （beq命令なので）



③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（減算）同時にPC+4 + (offset*4) の計算

加算4 M0

( )

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]ALU制御コードは

0110 (引き算)


0110 (引き算)

④ALUのゼロ判定出力に基づき、PCに格納する値を選択以下はゼロ判定が1の時のデータパス。ゼロ判定が0の時は以下のMUXでは上側が選択される

加算4 M0

以下はゼ判定が1の時のデタス。ゼ判定が0の時は以下のMUXでは上側が選択される

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


章末問題①

• 重要問題⑥においてストアの場合を考えるま重要問題⑥においてストアの場合を考える。まず問題文自体を自分で変更せよ（動作の内容が異なる）。そしてその問題を回答せよ。異なる）。そして、その問題を回答せよ。


ストア命令実行の様子ストア命令の sw $t0, 12($s0)の実行に関して、以下の各ステップのデータパスを図示せよ。また、その時の各MUXへの制御入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）入力は0か1のどちらか？（各バスの値も確認せよ）

sw $t0, 12($s0) 10１011 00000000000011000100010000op rs rt address


31-26 25-21 20-16 15-0$t0$s0 +12sw


②レジスタファイルからの２つのレジスタの読出し（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）ロードと少し違う

③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（足されるのは、②のレジスタとoffset の値）

④③で計算した値を書きみアドレスとして、データメモリにレジスタrtの値を書き込む



加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


0


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND し後で決定される


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


②レジスタファイルからの２つのレジスタの読出し（この間に、主制御ユニットが制御信号を生成）⇒値は次のページ

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX



符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]

ALUの下側の入力は、命令[15:0]の値を３２ビットにしたもの


RegDst= ｘ（所望のデータパスの作成に無関係のため）ALUSrc= 1（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg= ｘ（所望のデータパスの作成にに無関係のため）MemtoReg= ｘ（所望のデタパスの作成にに無関係のため）RegWrite= 0（レジスタに書きこまないので）MemRead= 0 (メモリを読まないので）MemWrite= 1（メモリに書き込むので）MemWrite= 1（メモリに書き込むので）Branch= 0 （beq命令でないので）ALUOp1= 0（lw/sw命令なので）

（命令な）ALUOp0 =0 （lw/sw命令なので）



③ALU制御入力信号を生成して、ALU演算を実行（足し算）（足されるのは ②のレジスタとoffset の値）

加算4 M0

（足されるのは、②のレジスタとoffset の値）

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]ALU制御コードは

0010 (add)


0010 (add)

④③で計算した値を書きみアドレスとして、データメモリにレジスタrtの値を書き込む

加算4 M0

命令アドレス

4

2ビット左に

加算

UX

1

0

制御

RegDstBranch

MemRead


読出reg1読出


命令メモリ

PCシフト

命令[25:21]

命令[20:16]


AND


書込デタ

読出reg2

ALU操作データ

読出データ

アドレス MUX

MUX

命令[31:0]

01

0

[20:16]

MUX

01


符号3216

X

ALU

1命令[15:11]

命令[15:0] 符号

拡張ALU制御

命令[5:0]


章末問題②：ジャンプ命令の追加教科書のP301の例題を自分で読んで理解した後、図4.24に関して以下の

問いに答えよ

• 教科書：図4.24で新たに付け加えられた部分はどこか答えよ

• PCへの更新のデータパスにおいて、以下の４つの場合のデータパスをそれぞれ示せ。（どのMUXでどのデータを選択するかを明示せよ.また、制御線で1となっているものをあげよ）

1 beq命令で分岐が成立する時1. beq命令で分岐が成立する時2. beq命令で分岐が成立しない時3. jump命令4. add命令


追加されたのは、以下の水色の部分

命令

加算

2ビット左にシフト

命令[25-0]

26 28 PC+4[31-28]

ジャンプ先アドレス[31-0 ]

42ビット

加算

MUX

1

0制御

RegDst

BranchMemReadMemtoReg命令[31:26]

MUX

1

0Jump

読出読出

命令メモリ

命令アドレス

PC


命令[25:21]

制御MemWriteALUOp

g

ALUSrcRegWrite

AND

[31:26]

レジスタ

reg1

ALU ALU結果読出reg2書込reg

reg1

読出reg2

ALU操作

ゼロ判定

デ

読出データ

アドレス MUMU

メモリ

命令[31:0]

01

命令[20:16]

MU0

書込データ 4

ALU操作データメモリ

書込データ

UXUX

10

命令[15:11]

命令

X1

符号拡張

3216ALU制御

命令[15:0]

命令[5:0]


beq命令で分岐が成立する時のデータパス：赤色命令

加算


命令[25-0]

26 28 PC+4[31-28]


42ビット

加算

MUX

1

0制御

RegDst


MUX

1

0Jump

読出読出

命令メモリ

命令アドレス

PC


命令[25:21]

制御MemWriteALUOp

g

ALUSrcRegWrite

AND

[31:26]

レジスタ

reg1


reg1

読出reg2

ALU操作

ゼロ判定

デ

読出データ

アドレス MUMU

メモリ

命令[31:0]

01

命令[20:16]

MU0

書込データ 4


書込データ

UXUX

10

命令[15:11]

命令

X1

符号拡張

3216ALU制御

命令[15:0]

命令[5:0]


beq命令で分岐が成立しない時のデータパス：赤色命令

加算


命令[25-0]

26 28 PC+4[31-28]


42ビット

加算

MUX

1

0制御

RegDst


MUX

1

0Jump

読出読出

命令メモリ

命令アドレス

PC


命令[25:21]

制御MemWriteALUOp

g

ALUSrcRegWrite

AND

[31:26]

レジスタ

reg1


reg1

読出reg2

ALU操作

ゼロ判定

デ

読出データ

アドレス MUMU

メモリ

命令[31:0]

01

命令[20:16]

MU0

書込データ 4


書込データ

UXUX

10

命令[15:11]

命令

X1

符号拡張

3216ALU制御

命令[15:0]

命令[5:0]


beq命令で分岐が成立する時の制御線（b 命令で分岐が不成立の時の制御線の（beq命令で分岐が不成立の時の制御線の値も同じ。違うのはALUのゼロ判定出力

RegDst= ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）ALUSrc= 0（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg=ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）MemtoReg=ｘ（所望のデタパスの作成には無関係）RegWrite= 0（レジスタに書きこむので）MemRead= 0 (メモリは読まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）Jump = 0 (Jumpでないので）Branch= 1 （beq命令なので）

（命令なれはビトす）ALUOp1= 01（beq命令なので：これは2ビットです）



jump命令の時のデータパス：赤色命令

加算


命令[25-0]

26 28 PC+4[31-28]


42ビット

加算

MUX

1

0制御

RegDst


MUX

1

0Jump

読出読出

命令メモリ

命令アドレス

PC


命令[25:21]

制御MemWriteALUOp

g

ALUSrcRegWrite

AND

[31:26]

レジスタ

reg1


reg1

読出reg2

ALU操作

ゼロ判定

デ

読出データ

アドレス MUMU

メモリ

命令[31:0]

01

命令[20:16]

MU0

書込データ 4


書込データ

UXUX

10

命令[15:11]

命令

X1

符号拡張

3216ALU制御

命令[15:0]

命令[5:0]


jump命令の時の制御線

RegDst= ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）ALUSrc=ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）MemtoReg （所望のデタパスの作成には無関係）MemtoReg=ｘ（所望のデータパスの作成には無関係）RegWrite= 0（レジスタに書きこむので）MemRead= 0 (メモリは読まないので）

（は書き込まな）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）Jump = 1 (Jumpなので）Branch= 0 （beq命令でないので、ただし1でも問題ないという意味ではxと答えてもOK.）ALUOp=ｘｘ（ALUは使わないので、これは2ビット）



add命令の時のデータパス：赤色命令

加算


命令[25-0]

26 28 PC+4[31-28]


42ビット

加算

MUX

1

0制御

RegDst


MUX

1

0Jump

読出読出

命令メモリ

命令アドレス

PC


命令[25:21]

制御MemWriteALUOp

g

ALUSrcRegWrite

AND

[31:26]

レジスタ

reg1


reg1

読出reg2

ALU操作

ゼロ判定

デ

読出データ

アドレス MUMU

メモリ

命令[31:0]

01

命令[20:16]

MU0

書込データ 4


書込データ

UXUX

10

命令[15:11]

命令

X1

符号拡張

3216ALU制御

命令[15:0]

命令[5:0]


RegDst= 1（所望のデータパスの作成のため）ALUSrc= 0（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg= 0（所望のデータパスの作成のため）MemtoReg= 0（所望のデタパスの作成のため）RegWrite= 1（レジスタに書きこむので）MemRead= 0 (メモリは読まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）MemWrite= 0（メモリには書き込まないので）Jump = 0 (Jump命令でないので）Branch= 0 （beq命令でないので）

（命令な）れはビトALUOp= 10（R命令なので）これは2ビット



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