计算机组成原理第六章

计算机组成原理第六章 知识点二：数据通路主讲教师：秦磊华

问题引入 指令在CPU内执行时用到了哪些功能部件?CPU内部结构的不同如何影响指令执行的过程? 学习建议 系统观：指令执行流程与运算器及控制器内部结构、指令功能和寻址方式等紧密相关；了解指令执行流程，对合理选择指令，进行程序优化具有重要意义；熟悉指令执行流程对CPU设计中的故障定位与调试也很有帮助。 构造观：构建指令执行的数据通路。

1.指令周期 将指令从取出到执行完成所需要的时间称为指令周期。 1)取指周期 根据PC的值从主存取指令； 执行指令的顺序寻址功能； 跳跃寻址不可能在取指周期完成。 2)译码/取操作数周期 识别指令类型和寻址方式； 计算有效地址并读取操作数。

3)执行周期 完成指令操作码规定的操作； 向条件状态寄存器中记录相关执行状态； 若程序出现转移，在执行周期内还要决定转移地址。 4)写回周期将运算结果写到结果寄存器或存储器中。基于总线结构的计算机往往将指令周期分为取指周期和执行周期

2.数据通路 1)关于数据通路的基本概念 指令执行过程中，信息在功能部件之间传送的路径或依次使用过的功能部件的集合； 指令周期的不同阶段往往使用不同的功能部件； 部分功能部件在指令周期的不同阶段可能会反复使用； 通常根据指令周期建立不同阶段的数据通路。

3.影响数据通路建立的因素分析 指令功能不同功能指令使用不同的功能部件； CPU的内部结构不同结构CPU中执行指令的流程存在较大差异； 寻址方式寻址方式影响有效地址计算和操作数获得过程 连接方式总线方式中只能串行，专用通路方式则可并行。

4.建立数据通路的基本步骤 1)分析CPU的内部结构 找到PC、IR、AR(或MAR)、DR(或MDR)等寄存器； 重点分析PC增量数据通路,一般有下列三种情况: (a)PC寄存器具有自增功能：数据通路为PC  PC (b) CPU内设置专用加法器实现(如Add)PC增量数据通路为： PC Add PC (c)利用CPU内部的ALU执行PC增量数据通路为：PC  ALU PC

2)分析指令功能 正确理解指令功能； 理解不同寻址方式对指令执行流程的影响。

5.基于单总线结构CPU的典型数据通路

5条典型指令及其功能分析

1)取指阶段的数据通路 取指过程数据通路 PC → MAR → MEM → MDR → IR PC增量数据通路 PC → X → ALU → Z→ PC

2) LOAD R0，6# 执行阶段的数据通路 IRA → MAR → MEM → MDR→ R0

3) MOVE R1，10执行阶段的数据通路 IRA → R1

4) ADD R0，R1执行阶段的数据通路 R0 →X→ ALU； R1 → ALU → Z； Z→ R0。串行!

5) STORE R0, (R2)执行阶段的数据通路 R2 → MAR R0 → MDR → MEM

6) STORE R0, (R2)执行阶段的数据通路 R2 → MAR R0 → MDR → MEM

7) JMP 1000执行阶段的数据通路 IRA → PC

6.基于专用通路结构CPU中的典型数据通路

1)取指令的数据通路 取指令数据通路： PC增量数据通路： PC →指令存储器； PC → Add → PC。

2)访存类指令数据通路 指令存储器 → 寄存器堆中的寄存器/符号扩展(与具体寻址方式有关) → 数据存储器 → 寄存器堆中的某寄存器。

3)算术逻辑运算指令数据通路 IR 寄存器堆  ALU  寄存器堆

知识点二回顾 指令周期的划分； 指令周期每个阶段的任务； 数据通路的概念； 特定CPU结构中具体指令的数据通路(总线方式和专用通路方式结构的CPU)。

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