408答疑

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三、数据通路的功能和基本结构

数据通路的功能

随着技术的发展，更多的功能逻辑被集成到 CPU 芯片中，但不论 CPU 的内部结构多么复杂，它都可视为由数据通路（Data Path）和控制部件（Control Unit）两大部分组成。

• 数据在指令执行过程中所经过的路径，包括路径上的部件，称为数据通路，ALU、通用寄存器、状态寄存器、异常和中断处理逻辑等都是指令执行时数据流经的部件，都属于数据通路的一部分。
• 数据通路描述了信息从哪里开始，中间经过哪些部件，最后被传送到哪里。
• 数据通路由控制部件控制，控制部件根据每条指令功能的不同，生成对数据通路的控制信号。

数据通路的组成

组成数据通路的元件主要分为组合逻辑元件和时序逻辑元件两类。

组合逻辑元件（操作元件）

• 在组合逻辑元件中，任何时刻产生的输出仅取决于当前的输入。
• 组合逻辑元件不含存储信号的记忆单元，也不受时钟信号的控制，输出与输入之间无反馈通路，信号是单向传输的。
• 数据通路中常用的组合逻辑元件有加法器、算术逻辑单元（ALU）、译码器、多路选择器、三态门等，如下图所示。
  
  • 上图中虚线表示控制信号，译码器可用于操作码或地址码译码，n 位输入对应 $2^n$ 种不同组合，因此有 $2^n$ 个不同输出。
  • 多路选择器（MUX）需要控制信号 Select 来确定选择哪个输入被输出。
  • 三态门可视为一种控制开关，由控制信号 EN 决定信号线的通断，当 $EN=1$ 时，三态门被打开，输出信号等于输入信号；当 $EN=0$ 时，输出端呈高阻态（隔断态），所连寄存器与总线断开。

时序逻辑元件（状态元件）

• 任何时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，还与该时刻以前的输入有关，因此时序电路必然包含存储信号的记忆单元。此外，时序逻辑元件必须在时钟节拍下工作。
• 各类寄存器和存储器，如通用寄存器组、程序计数器、状态/移位/暂存/锁存寄存器等，都属于时序逻辑元件。

数据通路的基本结构

数据通路的基本结构主要有以下几种。

CPU 内部单总线方式

• 将 ALU 及所有寄存器都连接到一条内部总线上，称为单总线结构的数据通路。
• 这种结构比较简单，但数据传输存在较多的冲突现象，性能较低。
• 此总线在 CPU 内部，注意不要把它与连接 CPU、存储器和外设的系统总线相混淆。
• 下图所示为单总线的数据通路和控制信号。
  
  • GPRs 为通用寄存器组，rs、rd 分别为所读、写的通用寄存器的编号；
  • Y 和 Z 为暂存器；
  • FR 为标志寄存器，用于存放 ALU 产生的标态信息。
  • 带箭头的虚线表示控制信号，字母加 “in” 表示该部件允许写入，字母加 “out” 表示该部件允许输出。
  • MDRin 表示内部总线上信息写入 MDR，MDRout 表示 MDR 的内容送入内部总线。
  • 能输出到总线的部件均通过一个三态门与内部总线相连，用于控制该部件与内部总线之间数据通路的连接与断开。

注意：
单周期处理器（$CPI=1$）不能采用单总线方式，因为单总线将所有寄存器都连接到一条公共总线上，一个时钟内只允许一次操作，无法完成一条指令的所有操作。

CPU 内部多总线方式

• CPU 内部有两条或更多的总线时，构成双总线结构或多总线结构。
• 将所有寄存器的输入端和输出端都连接到多条公共通路上，相比之下单总线中一个时钟内只允许传送一个数据，指令执行效率很低。
• 因此采用多总线方式，同时在多个总线上传送不同的数据，提高效率。

专用数据通路方式

根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接电路，避免使用共享的总线，性能较高，但硬件量大。

注意：
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、内存和各类 I/O 接口）间互相连接的总线。

数据通路的操作举例

总线是一组共享的传输信号线，它不能存储信息，任一时刻也只能有一个部件把信息送到总线上。

通用寄存器之间传送数据

• 在寄存器和总线之间有两个控制信号：Rin 和 Rout。
  • 当 Rin 有效时，控制将总线上的信息存到寄存器 R 中；
  • 当 Rout 有效时，控制将寄存器 R 的内容送至总线。
• 下面以程序计数器 PC 为例，将 PC 的内容送至 MAR，如下图所示。

• 实现该操作的流程及控制信号为：

(PC) → MAR		# PCout 和 MARin 有效，PC 内容 → MAR

从主存读取数据

取指令阶段所需时钟周期分析

• 从主存中读取的信息可能是数据或指令，现以 CPU 从主存中取指令为例，说明数据在单总线数据通路中的传送过程，如下图所示。

• 实现该操作的流程及控制信号为：

(PC) → MAR						# PCout 和 MARin 有效，现行指令地址 → MAR
MEM(MAR) → MDR, (PC) +1 → PC	# MDRin 有效，CU 发出读命令，取出指令后 PC+1
(MDR) → IR						# MDRout 和 IRin 有效，现行指令 → IR

• 第一步，将 PC 的内容通过内部总线送至 MAR，需要 1 个时钟周期。
• 第二步，CU 向主存发出读命令，从 MAR 所指主存单元读取一个字，并送至 MDR；同时 PC 加 1 为取下一条指令做准备，需要 1 个主存周期。
• 第三步，将 MDR 的内容通过内部总线送至 IR，需要 1 个时钟周期。

将数据写入主存

• 将寄存器 R1 的内容写入寄存器 R2 所指的主存单元。
• 完成该操作的流程及控制信号为：

(R1) → MDR			# R1out 和 MDRin 有效
(R2) → MAR			# R2out 和 MARin 有效
MDR → MEM(MAR)		# MDRout 有效，CU 发出写命令

执行算术或逻辑运算

在单总线数据通路中，每一时刻总线上只有一个数据有效。

• 因为 ALU 是一个没有存储功能的组合逻辑元件，在其执行运算时必须保持两个输入端同时有效，所以先将一个操作数经内部总线送入暂存器 Y 保存，Y 的内容在 ALU 的左输入端始终有效，再将另一个操作数经内部总线直接送到 ALU 的右输入端。
• 此外，ALU 的输出端也不能直接与总线相连，否则其输出会通过总线反馈到输入端，影响运算结果，因此将运算结果暂存在暂存器 Z 中（ALU 中设置暂存器的原因）。
• 下图所示为加法指令 $ADDACC,R1$，实现将 ACC 的内容和 R1 的内容相加并写回 ACC。

• 完成该操作的流程及控制信号为：

(R1) → Y			# R1out 和 Yin 有效，操作数 → Y
(ACC) + (Y) → Z		# ACCout 和 ALUin 有效，CU 向 ALU 发出加命令，结果 → Z
(Z) → ACC			# Zout 和 ACCin 有效，结果 → ACC

以上 3 步不能同时执行，否则会引起总线冲突，因此该操作需要 3 个时钟周期。

修改程序计数器的值

• 转移指令通过修改程序计数器 PC 的值来达到转跳的目的。
• 转移指令 $JMPAddr$（Addr 为目标转移地址）实现将 IR 中的地址字段写入 PC。
• 完成该操作的流程及控制信号为：

Ad(IR) → PC			# IRout 和 PCin 有效

数据通路结构直接影响 CPU 内各种信息的传送路径，数据通路不同，指令执行过程的微操作序列的安排也不同，它关系着微操作信号形成部件的设计。

八、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

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