【组成原理-处理器】数据通路

目录

• 1 数据通路的结构和组成
  • 1.1 数据通路的基本结构
  • 1.2 数据通路的基本组成（单总线结构）
    • 1.2.1 指令相关
    • 1.2.2 运算相关
    • 1.2.3 存储相关
• 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
  • 2.2 间址周期
    • 2.2.1 间接寻址
    • 2.2.2 寄存器间接寻址
  • 2.3 执行周期

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