【组成原理-处理器】数据通路
目录
1 数据通路的结构和组成
数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路，包括数据通路上流经的部件，如 ACC、ALU、状态寄存器。通用寄存器等。
1.1 数据通路的基本结构
数据通路的基本结构分为两种：
（1）内部总线结构（可参考“总线”章节）
- CPU 内部单总线方式（常考，类似看图说话）
- CPU 内部双总线方式
- CPU 内部三总线方式
（2）专用数据通路方式（有一定几率考，但做题方法与单总线的相同）：不使用共享的总线
1.2 数据通路的基本组成（单总线结构）
- “in”：允许数据从内部总线输入到该部件的信号
- “out”：允许数据从该部件输出到内部总线的信号
1.2.1 指令相关
| 寄存器/部件 | （从 CU 发出的）控制信号 |
|---|---|
| 程序计数器 PC | PCin、PCout |
| 指令寄存器 IR | IRin |
| 指令寄存器中存储的指令的地址码部分 Ad(IR) | AdIRout |
1.2.2 运算相关
| 寄存器/部件 | （从 CU 发出的）控制信号 |
|---|---|
| 累加寄存器 ACC | ACCin、ACCout |
| 暂存输入寄存器 Y | Yin |
| 暂存输出寄存器 Z | Zout |
| 算术逻辑单元 ALU | ALUin |
| 通用寄存器 Rx | Rxin、Rxout |
1.2.3 存储相关
- “E”：表示允许控制该部件往主存输入数据/从主存接收数据的信号
- 未加“E”：表示允许控制该部件往内部总线输入数据/从内部总线接收数据的信号
- MemR：允许从主存读出数据
- MemW：允许往主存写入数据
| 寄存器/部件 | （从 CU 发出的）控制信号 |
|---|---|
| 存储器地址寄存器 MAR | MARin、MARout；MARoutE |
| 存储器数据寄存器 MDR | MDRin、MDRout；MDRinE、MDRoutE |
| 将寄存器内的数据当做地址，往主存的该地址读或写数据 M(MAR) | MemR、MemW |
2 数据通路中的微操作（硬布线控制器、单总线结构）
2.1 取指周期
| 微操作 | 控制信号 | 描述 |
|---|---|---|
| (PC)-->MAR | PCout, MARin | 指令对应的地址放入 MAR 中 |
| 1-->R | 无 | 命令存储器读 |
| M(MAR)-->MDR | MemR, MDRinE | 从主存的相应地址读出指令并存入 MDR 中 |
| (MDR)-->IR | MDRout, IRin | MDR 存储的指令放入 IR 中 |
| OP(IR)-->ID | 无 | 指令译码 |
| (PC)+1-->PC | PC+1 | 程序计数器加 1 个指令字长 |
数据通路：PC-->MAR-->Mem-->MDR-->IR
2.2 间址周期
2.2.1 间接寻址
| 微操作 | 控制信号 | 描述 |
|---|---|---|
| Ad(IR)-->MAR | MARin | 读出指令的地址码部分，送入 MAR 中（注意没有 IRout） |
| 1-->R | 无 | 命令存储器读 |
| M(MAR)-->MDR | MemR, MDRinE | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| (MDR)-->Y | MDRout, Yin | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
数据通路：IR-->MAR-->Mem-->MDR-->Y
2.2.2 寄存器间接寻址
| 微操作 | 控制信号 | 描述 |
|---|---|---|
| (R0)-->MAR | R0out, MARin | 读出 R0 的数据，送入 MAR 中 |
| 1-->R | 无 | 命令存储器读 |
| M(MAR)-->MDR | MemR, MDRinE | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| (MDR)-->Y | MDRout, Yin | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
数据通路：R0-->MAR-->Mem-->MDR-->Y
2.3 执行周期
以ADD (R0), R1为例，功能为((R0))+(R1)-->(R0)，说明执行指令流程和控制信号。
| 微操作 | 控制信号 | 描述 |
|---|---|---|
| (Y)+(R1)-->Z | Yout, R1out, Zin, ALUin | Y 中数据和 R1 中数据相加，经过 ALU 计算的结果存入 Z 中（注意没有 ALUout） |
| (Z)-->MDR | Zout, MDRin | 将计算结果放入 MDR 中 |
| 1-->W | 无 | 命令存储器写 |
| (MDR)-->M(MAR) | MDRoutE, MemW | 将 MDR 数据放入到主存相应地址中，注意此时 MAR 仍存储着 R0 的数据 |
数据通路：Y, R1-->ALU-->Z-->MDR-->Mem
