文章目录

  • 1 数据通路的功能和基本结构单总线
    • 1.1 数据通路的功能
    • 1.2 数据通路-基本结构单总线
  • 2 数据通路-CPU内部单总线方式
    • 2.1 三种结构之间数据传送方式
    • 2.2 CPU内部单总线方式-例题
  • 3 专用通路
    • 3.1 专用数据通路方式
    • 3.2 专用数据通路方式-例题

1 数据通路的功能和基本结构单总线

1.1 数据通路的功能

数据通路：数据在功能部件之间传送的路径。

我们关心的是：信息从哪里开始，中间经过哪些部件，最后传到哪里

由控制部件产生的控制信号建立数据通路

数据通路的基本结构：

  1. CPU内部单总线方式。
  2. CPU内部多总线方式。
  3. 专用数据通路方式

1.2 数据通路-基本结构单总线

每个部件都直接跟总线相连，部件之间无相应的连线
以in结尾的控制信号决定通路能否由外向部件内传递信息
以out结尾的控制信号决定通路能否向外传递信息

内部总线与系统总线：

  • 内部总线是指同一部件，如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线；
  • 系统总线是指同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/0接口间互相连接的总线。

2 数据通路-CPU内部单总线方式

2.1 三种结构之间数据传送方式

  1. 寄存器之间数据传送

比如把PC内容送至MAR，实现传送操作的流程及控制信号为：

  • （PC）→Bus PCout有效，PC内容送总线
  • Bus→MAR MARin有效，总线内容送MAR
  1. 主存与CPU之间的数据传送
    比如CPU从主存读取指令，实现传送操作的流程及控制信号为：
  • （PC）→Bus→MAR PCout和MARin有效，现行指令地址→MAR
  • 1→R CU发读命令（通过控制总线发出，图中未画出）
  • MEM（MAR）→MDR MDRin有效
  • （MDR）→Bus→IR MDRout和IRin有效，现行指令→IR
  1. 执行算术或逻辑运算
    比如一条加法指令，微操作序列及控制信号为：
  • Ad（IR）→Bus→MAR MDRout和MARin有效
  • 1→R CU发读命令
  • MEM（MAR）→数据线→MDR MDRin有效
  • （MDR）→Bus→Y MDRout和Yin有效，操作数→Y
  • （ACC）+（Y）→Z ACCout和ALUin有效，CU向ALU发送加命令
  • Z→ACC Zout和ACCin有效，结果→ACC

2.2 CPU内部单总线方式-例题

设有如图所示的单总线结构，分析指令ADD（R0），R1的指令流程和控制信号。

  1. 分析指令功能和指令周期功能：（（R0））+（R1）→（R0）

R0目的操作数，R1源操作数，R1表示操作数放此寄存器中，（R0）表示操作数地址放在寄存器中，存放的是主存的地址，最终目标存回主存
分析取指周期、间址周期、执行周期

  1. 写出各阶段的指令流程

取指周期：公共操作

时序 微操作 有效控制信号
1 （PC）→MAR PCout，MARin
2 M（MAR）→MDR （PC）+1→PC MemR，MARout，MDRinE
3 （MDR）→IR MDRout，IRin
4 指令译码 -

间址周期：完成取数操作，被加数在主存中，加数已经放在寄存器R1中。

时序 微操作 有效控制信号
1 （R0）→MAR R0out，MARin
2 M（MAR）→MDR MemR，MARout，MDRinE
3 （MDR）→Y MDRout，Yin

执行周期：完成取数操作，被加数在主存中，加数已经放在寄存器R1中。

时序 微操作 有效控制信号
1 （R1）+（Y）→Z R1out，ALUin ，CU向ALU发ADD控制信号
2 （Z）→MDR Zout，MDRinE
3 （MDR）→M（MAR） MemW，MDRoutE，MARout

说明：

数据放在Z里面，最后要放在（R0）指示的位置，而（R0）指示的位置是主存中的一个单元，（R0）寄存器间接寻址，存的是主存的地址，最终需要放回主存
要放回主存，先得把Z中数据放MDR（第2步），再放回主存（第3步）

3 专用通路

3.1 专用数据通路方式

专用数据通路方式→取指周期

  1. （PC）→MAR Co有效
  2. （MAR）→主存 C1有效
  3. 1→R 控制单元向主存发送读命令
  4. M（MAR）→MDR C2有效
  5. （MDR）→IR C3有效
  6. (PC)+1>PC
  7. Op（IR）→CU C4有效

3.2 专用数据通路方式-例题

下图是一个简化了的CPU与主存连接结构示意图（图中省略了所有的多路选择器）。其中有一个累加寄存器（ACC）、一个状态数据寄存器和其他4个寄存器：主存地址寄存器（MAR）、主存数据寄存器（MDR）、程序寄存器（PC）和指令寄存器（IR），各部件及其之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传递方向。
要求：
（1）请写出图中a、b、c、d 4个寄存器的名称。
（2）简述图中取指令的数据通路。
（3）简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。
（4）简述完成指令LDA X的数据通路（X为主存地址，LDA的功能为（X）→ACC）。
（5）简述完成指令ADD Y的数据通路（Y为主存地址，ADD的功能为（ACC）+（Y）→ACC）。
（6）简述完成指令STA Z的数据通路（Z为主存地址，STA的功能为（ACC）→Z）。

（1）请写出图中a、b、c、d 4个寄存器的名称。

（1）

  • d能自动“+1”，是PC
  • PC内容是地址，只会送MAR，故c是MAR
  • b与微操作信号发生器相连，是IR（指令寄存器IR的操作码是要送微操作信号发生器）
  • 与主存相连的寄存器是MAR和MDR，c是MAR，则a是MDR

（2）简述图中取指令的数据通路。

(2)

  • (PC)→MAR
  • M(MAR)→MDR
  • (MDR)→IR

（3）简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。

存/取的数据放到ACC中
设数据地址已放入MAR

  • 取：
    M（MAR）→MDR
    （MDR）→ALU→ACC（MDR和ACC之间没有专门的写到ACC的数据通路，要经过ALU到ACC）
  • 存：ACC中的数据存到主存
    （ACC）→MDR
    （MDR）→M（MAR）

（4）简述完成指令LDA X的数据通路（X为主存地址，LDA的功能为（X）→ACC）。

X→MAR
M(MAR)→MDR
(MDR)→ALU→ACC

（5）简述完成指令ADD Y的数据通路（Y为主存地址，ADD的功能为（ACC）+（Y）→ACC）。

一般隐含一些东西时候，隐含的位置都是ACC

Y→MAR （主存地址放MAR）
M(MAR)→MDR （MAR定位主存中地址，把数据取出放到MDR）
(MDR)→ALU,(ACC)→ALU
ALU→ACC

（6）简述完成指令STA Z的数据通路（Z为主存地址，STA的功能为（ACC）→Z）。

Z→MAR （先把主存地址放MAR）
(ACC)→MDR （把ACC中数据移到MDR）
(MDR)→M(MAR) （MDR中数据存到指定的主存位置）

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