5.03數據通路的功能和基本結構

數據通路的功能

1. 數據通路：數據在各功能部件之間傳送的路徑
2. 功能：描述了信息從哪裏開始，中間經過哪些部件，最後傳到哪裏
3. 控制單元CU產生控制信號建立數據通路

數據通路的基本結構

1. 內部總線：同一部件內部連接各寄存器及運算部件之間的總線
2. 系統總線：同一臺計算機系統的各部件相互連接的總線

CPU內部單總線方式

1. 實現：所有寄存器的輸入端、輸出端連接到一條公共數據通路上
2. 特點：結構簡單，但一個時鐘內只允許傳一個數據，數據傳輸存在較多衝突現象
   
3. 寄存器之間的數據傳送：如上圖中，以PC寄存器爲例，把PC的內容送到MAR，實現傳送操作的控制流程及控制信號爲
   a. (PC)→Bus，PCout有效
   b. Bus→MAR，MARin有效
4. 主存與CPU之間的數據傳送
   a. (PC)→Bus→MAR，PCout，MARin有效
   b. 1→R，CU發出讀命令
   c. M(MAR)→MDR，MARoutE，MDRinE有效
   d. (MDR)→Bus→IR，MDRout，IRin
5. 執行算數或邏輯運算
   a. Ad(IR)→Bus→MAR，IRout(或MDRout)，MARin
   b. 1→R，CU發出讀控制信號
   c. M(MAR)→MDR，MARoutE，MDRinE
   d. MDR→Bus→Y，MDRout，Yin
   e. (Y)+(ACC)→Z，ACCout，ALUin，CU向ALU發加命令
   f. (Z)→ACC，Zout，ACCin

CPU內部多總線方式

1. 實現：所有寄存器的輸入端、輸出端連接到多條公共數據通路上

專用數據通路方式

1. 實現：根據指令執行過程中，數據和地址的流動方向安排連接線路，避免使用共享的總線
2. 特點：性能高，但硬件量大
   
   
   

例題

例題1

設有如下圖所示的單總線結構，分析指令ADD(R₀)，R₁的指令流程和控制信號

1. 分析：((R₁))+(R₀)→(R₁)
2. 取指週期
   a. (PC)→MAR，PCout，MARin
   b. M(MAR)→MDR     (PC)+1→PC，MemR，MARout，MDRinE
   c. (MDR)→IR，MDRout，IRin
   d. 指令譯碼，—
3. 間址週期
   a.(R₀)→MAR， R₀out，MARin
   b. M(MAR)→MDR，MemR，MARout，MDRinE
   c. (MDR)→Y，MDRout，Yin
4. 執行週期
   a. (Y)+R₁→Z，R₁out，ALUin，CU向ALU發加控制信號
   b. (Z)→MDR，Zout，MDRin
   c. (MDR)→M(MAR)，MemW，MARout，MDRoutE

例題2

分析下列的取指週期

1. (PC)→MAR，C₀
2. M(MAR)→MDR    (PC)+1→PC，CU發出讀控制信號，C₁，C₂
3. (MDR)→IR，C₃
4. OP(IR)→CU，C₄

例題3

某計算機字長爲 16 位，採用 16 位定長指令字結構，部分數據通路結構如圖 所示，圖中所有控制信號爲 1 時表示有效、爲 0 時表示無效。例如，控制信號 MDRinE 爲 1表示允許數據從 DB 打入 MDR，MDRin 爲 1 表示允許數據從內總線打入 MDR。設 MAR 的輸出一直處於使能狀態。加法指令“ADD (R1)，R0”的功能爲(R0)+((R1))→(R1)，即將 R0 中的數據與R1 的內容所指主存單元的數據相加，並將結果送入 R1 的內容所指主存單元中保存
表 A-1 給出了上述指令取指和譯碼階段每個節拍（時鐘週期）的功能和有效控制信號，請按表中描述方式用表格．．列出指令執行階段 ．．．．．．每個節拍的功能和有效控制信號。
解：執行週期過程