7 计算机组成原理第五章 中央处理器 数据通路

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。
在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述

每个部件都直接跟总线相连,部件之间无相应的连线
in结尾的控制信号决定通路能否由外向部件内传递信息
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
    在这里插入图片描述
  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
    在这里插入图片描述
  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
    在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

  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)→MARPCout,MARin
2M(MAR)→MDR (PC)+1→PCMemR,MARout,MDRinE
3(MDR)→IRMDRout,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)→MARR0out,MARin
2M(MAR)→MDRMemR,MARout,MDRinE
3(MDR)→YMDRout,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)→ZR1out,ALUin ,CU向ALU发ADD控制信号
2(Z)→MDRZout,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
在这里插入图片描述

  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)。
在这里插入图片描述

(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
    在这里插入图片描述

(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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