【计算机组成原理Note】5.3 CPU数据通路（CPU内部总线+专用数据通路）

5.3.1 数据通路-CPU内部单总线方式

这是第一节的图，将其部件换到一边：

5.3.1.1 CPU内部单总线方式

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/O接口间互相连接的总线。

如MAR和MDR作为CPU和主存之间信息交流的寄存器，对外连接地址总线和数据总线

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

   

2. 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（此处有歧义，MDR一般需要和主存和CPU内部总线交流，所以一般会配用两套总线，此处指的是控制MDR和主存的控制信号）

   • MDR →Bus→IR MDRout和lRin有效，现行指令→IR

     

3. 执行算数或逻辑运算

   比如现在IR指令寄存器中存的是当前需要执行的指令，由指令的操作码交给控制系统CU便可知道为加法指令，此时需要取操作数：

   Ad(IR))→Bus)→MAR MDRout和MADin有效 或AdIRout和MARin有效(如果有提供指令寄存器对外的读口的话)
   1→R CU发读命令
   MEM(MAR)→数据线→MDR MDRin有效（此处有歧义，MDR一般需要和主存和CPU内部总线交流，所以一般会配用两套总线，此处指的是控制MDR和主存的控制信号）
   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 Aout和ACCin有效，结果→ACC（图中没给出）

   

   为什么MDR有效，因为图中IR指令寄存器对外没有提供读接口，并且此时MDR存储器数据寄存器和IR指令寄存器中存储的内容都是一样的，所以由MDR来代替IR，将操作码地址交给MAR

   当然如果指令寄存器提供了对外读的功能，AdIRout，那么该指令也可以是AdIRout和MARin有效

   

5.3.1.2 例题

注意题目中指令是（R₀）意思为R₀寄存器存储的内容是操作数的地址，并且R₀寄存器存储的内容是结果返回的地址（也就是最后一步，R₀初始的内容被记录在MAR中，所以有（MDR）→M（MAR））

5.3.2 数据通路-专用数据通路

专用数据通路和CPU内部总线方式，数据流动方式是一样的。只是数据不再进过总线，部件之间有自己的连接，通过线路上控制信号协调工作完成数据流通。（这里以取指周期为例，分析数据流通，其余的可以自己类比CPU内部总线的方式）

1. 专用数据通路-取指周期

   

5.3.2.1 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）。

答案