考研408--组成原理--day10--指令执行过程&数据通路&硬布线控制器

（以下内容全部出自上述课程）

大前提：任何数据都需要先通过寄存器再执行操作
指令执行过程
- [1. 指令周期](#1. 指令周期)
- [2. 指令周期流程](#2. 指令周期流程)
- [3. 指令周期的数据流](#3. 指令周期的数据流)
- - [3.1 取指周期](#3.1 取指周期)
  - [3.2 间址周期](#3.2 间址周期)
  - [3.3 执行周期](#3.3 执行周期)
  - [3.4 中断周期](#3.4 中断周期)
- [4. 指令执行方案](#4. 指令执行方案)
数据通路-单总线结构
- [1. 指令周期的数据流](#1. 指令周期的数据流)
- [2. 数据通路](#2. 数据通路)
- [3. 单总线方式](#3. 单总线方式)
- [4. 例题](#4. 例题)
- [5. 小结](#5. 小结)
数据通路-专用通路结构
- [1. 专用数据通路方式](#1. 专用数据通路方式)
- [2. 例题](#2. 例题)
- [3. 小结](#3. 小结)
硬布线控制器
- [1. 硬布线控制器](#1. 硬布线控制器)
- [2. 设计（了解）](#2. 设计（了解）)
- - [2.1 分析每个阶段的微操作序列](#2.1 分析每个阶段的微操作序列)
  - [2.2 安排微操作时序的原则](#2.2 安排微操作时序的原则)
  - [2.3 组合逻辑设计](#2.3 组合逻辑设计)
  - [2.4 微操作信号综合](#2.4 微操作信号综合)
  - [2.5 画出逻辑图](#2.5 画出逻辑图)
- [3. 小结](#3. 小结)

大前提：任何数据都需要先通过寄存器再执行操作

指令执行过程

1. 指令周期

从小到大：时钟周期-->机器周期（CPU）周期-->指令周期

取指周期：取指令-->PC+1-->对指令译码
执行周期：执行指令
指令周期=取指周期+执行周期
CLK 是英文 "Clock" 的缩写，表示计算机或数字电路中的时钟信号。
每个时钟周期被划分为若干个阶段（如 T₀, T₁, T₂, T₃），这些阶段称为节拍（Beat）。
定长的机器周期：三个机器周期都是四个节拍。
不定长 的机器周期：机器周期不都相同。

2. 指令周期流程

触发器：

FE：Fetch 取指令（从内存中取出下一条指令）
IND：Indirect Addressing 或 Decode 地址间接寻址 / 指令译码
EX：Execute 执行指令（如算术运算、逻辑操作）
INT ：Interrupt 或 Write Back 中断处理 / 写回结果

3. 指令周期的数据流

3.1 取指周期

前提：(寄存器)：指的是寄存器中存的东西

指令地址PC-->存储器地址寄存器MAR
CU发出控制信号（读信号）：1-->R
地址寄存器指的主存内容送入数据寄存器：M(MAR)-->MDR
数据寄存器得到指令传入指令寄存器：(MDR)-->IR
计数器指向下一条指令：(PC)+1-->PC

类比-公交车司机：

PC → MAR 司机查看电子路单："下一站是第5站：中山公园"
→ ：把"中山公园"这个站名输入车载导航（MAR）
PC ：是"下一条指令地址" → 相当于"下一站编号/名称"
MAR：是"当前要访问的地址" → 导航目的地
1 → R（读信号）司机按下"查询站台信息"按钮发出"读内存"请求，准备获取该站的详细信息
M(MAR) → MDR 车载系统从数据库调出中山公园站的信息："停靠30秒，开门下客，有换乘地铁2号线"
**内存（M）**中存储的是该站的操作指令（不是乘客！）
MDR 暂存这条"操作命令"
MDR → IR 司机看到屏幕显示："停30秒，开门，可换乘"
→ ：他记住了这条指令（IR = 当前指令）
IR：存储的是刚取到的指令内容，准备下一步执行
PC + 1 → PC 司机更新路单："下下站是第6站：人民广场" 程序计数器自动+1，为下一次"取指"做准备

3.2 间址周期

将指令的地址码送入地址存储器：Ad(IR)-->MAR
控制单元发出控制信号（读操作）：1-->R
地址存储器所指的主存内容送入数据存储器：M(MAR)-->MDR
将有效地址送至指令的地址码字段：(MDR)-->Ad(IR)

类比-去快递柜取快递：

Ad(IR) → MAR 你看到短信写着："取件码：A123"
→ ：把 A123 输入快递柜屏幕
A123：是"间接地址"，存入 MAR（相当于输入框）
1 → R（读信号）你按下"查询"按钮发出"读"请求，让系统去查 A123 对应什么格口
M(MAR) → MDR 屏幕显示："您的包裹在格口 B7" 内存（快递系统数据库）返回真正的地址 B7，存入 MDR（屏幕显示）
MDR → Ad(IR) 你记住"B7"，准备去开 B7 格口把有效地址 B7 写回"下一步要访问的位置"（Ad(IR) 更新为 B7）

3.3 执行周期

3.4 中断周期

类比-写作业被电话打断：

CU 控制将 SP 减 1，修改后的地址送入 MAR
记做：(SP)-1 → SP，(SP) → MAR 你放下笔，走到书桌边，从抽屉里拿出一个"记忆便签本"（栈），翻到最后一页，撕下一张空白纸条（SP-1），把这张纸条放在最上面（SP 更新）。
→ ：这张纸条现在就是"待填地址"的位置（MAR = 栈顶地址）
SP ：是栈指针，指向下一个可用栈空间
SP-1 ：是"预留出一个位置"
MAR：就像"你要往哪里写信息"
CU 发出控制信号，启动主存做写操作
记做：1 → W 你拿起笔，在这张空白纸条上准备写字（发出"写"信号） W=1 表示"开始写数据"，就像你准备好记录了
将断点（PC 内容）送入 MDR
记做：(PC) → MDR 你回头看看作业本，发现刚才写到第 5 题第 3 步（当前 PC 指向的位置），于是你在心里记下："我停在第 5 题第 3 步。"
→ ：把这个"位置"记在脑中（MDR = 数据暂存区）
PC ：是"当前执行位置" → 相当于"作业进度"
MDR：是临时缓存，就像你脑子里先记着
CU 控制将中断服务程序入口地址送入 PC
记做：向量地址 → PC 你拿起手机，接通电话，听到妈妈说："你爸到了，快去开门！"
→ ：你立刻决定："我现在要去门口开门"（转去中断服务程序）
你的"下一步动作"变成了"去门口"（PC 被改写为中断入口）中断向量地址 = "该做什么事"的指令地址
PC ：被更新为"新任务的起点"

4. 指令执行方案

数据通路-单总线结构

单总线结构：只有一条CPU内部总线。

1. 指令周期的数据流

2. 数据通路

3. 单总线方式

寄存器之间数据传送：

PC → MAR 司机查看电子路单："下一站是第5站：中山公园"
→ ：把"中山公园"这个站名输入车载导航（MAR）
PC ：是"下一条指令地址" → 相当于"下一站编号/名称"
MAR：是"当前要访问的地址" → 导航目的地
总线就相当于中间的一个媒介，相当于输入框（将中山公园输入至车载导航上）

主存与CPU之间的数据传送（包含寄存器之间数据传送）：
PC-->总线-->MAR-->主存-->MDR-->总线-->IR

执行加法指令：
IR-->总线-->MAR-->主存-->数据线-->MDR-->总线-->Y-->Z
ACC-->Z
Z-->ACC

4. 例题

CPU 采用单总线结构（所有部件通过一条总线通信）
指令：ADD (R0), R1
功能：(R0) + (R1) → R0
即：将寄存器 R0 所指向的内存单元内容，与 R1 的内容相加，结果存回 R0。

指令格式隐含：ADD (R0), R1 是间接寻址（R0 中存放的是操作数的地址），R1 是源操作数寄存器。

取指周期：公共操作，所有的指令这个阶段都一样

复习：

类比-公交车司机：

PC → MAR 司机查看电子路单："下一站是第5站：中山公园"
→ ：把"中山公园"这个站名输入车载导航（MAR）
PC ：是"下一条指令地址" → 相当于"下一站编号/名称"
MAR：是"当前要访问的地址" → 导航目的地
1 → R（读信号）司机按下"查询站台信息"按钮发出"读内存"请求，准备获取该站的详细信息
M(MAR) → MDR 车载系统从数据库调出中山公园站的信息："停靠30秒，开门下客，有换乘地铁2号线"
**内存（M）**中存储的是该站的操作指令（不是乘客！）
MDR 暂存这条"操作命令"
MDR → IR 司机看到屏幕显示："停30秒，开门，可换乘"
→ ：他记住了这条指令（IR = 当前指令）
IR：存储的是刚取到的指令内容，准备下一步执行
PC + 1 → PC 司机更新路单："下下站是第6站：人民广场" 程序计数器自动+1，为下一次"取指"做准备

间址周期 ：也算公共操作，不过可以看具体指令修改Ad(IR)

复习：

类比-去快递柜取快递：

Ad(IR) → MAR 你看到短信写着："取件码：A123"
→ ：把 A123 输入快递柜屏幕
A123：是"间接地址"，存入 MAR（相当于输入框）
1 → R（读信号）你按下"查询"按钮发出"读"请求，让系统去查 A123 对应什么格口
M(MAR) → MDR 屏幕显示："您的包裹在格口 B7" 内存（快递系统数据库）返回真正的地址 B7，存入 MDR（屏幕显示）
MDR → Ad(IR) 你记住"B7"，准备去开 B7 格口把有效地址 B7 写回"下一步要访问的位置"（Ad(IR) 更新为 B7）

执行周期：具体指令具体分析
注意：数据最终都是要存入主存的，所以这里加完的结果需要返回主存。

5. 小结

数据通路-专用通路结构

1. 专用数据通路方式

把总线优化掉了，谁可以和谁相连就单纯和它相连

就结构变了一点儿而已，其他的分析和之前相同（倒是做题技巧多了不少）

2. 例题

MDR<-->主存<--MAR：和主存相连的只有MDR（双向）和MAR（单向）
PC+1：能自动+1的肯定是PC
IR -->微操作信号发生器：指向微操作信号发生器的一定是IR

取指令-复习：
类比-公交车司机：

PC → MAR 司机查看电子路单："下一站是第5站：中山公园"
→ ：把"中山公园"这个站名输入车载导航（MAR）
PC ：是"下一条指令地址" → 相当于"下一站编号/名称"
MAR：是"当前要访问的地址" → 导航目的地
1 → R（读信号）司机按下"查询站台信息"按钮发出"读内存"请求，准备获取该站的详细信息
M(MAR) → MDR 车载系统从数据库调出中山公园站的信息："停靠30秒，开门下客，有换乘地铁2号线"
**内存（M）**中存储的是该站的操作指令（不是乘客！）
MDR 暂存这条"操作命令"
MDR → IR 司机看到屏幕显示："停30秒，开门，可换乘"
→ ：他记住了这条指令（IR = 当前指令）
IR：存储的是刚取到的指令内容，准备下一步执行
PC + 1 → PC 司机更新路单："下下站是第6站：人民广场" 程序计数器自动+1，为下一次"取指"做准备

注意：下面的3、4、5、6是连在一起的执行步骤，所以4会按照3存储后的进度继续操作

数据流经路径（图中带括号指的是数据本身）：

取：MAR-->M-->MDR-->ALU-->ACC

存：ACC-->MDR-->M(MAR)（MAR指的位置）

功能：把X指的主存地址中存储的数据放入ACC中

X-->MAR：把主存地址存入地址寄存器中
M(MAR)-->MDR：根据主存地址去主存中找到需要的数据，把数据放入数据寄存器
(MDR)-->ALU-->ACC ：把数据寄存器中的数据放入算术逻辑单元再放入累加器

功能：把ACC中的数据（上一题存入的数据）和Y指的主存地址中的数据相加之后存入ACC
Y-->MAR：先把主存地址存入地址寄存器
M(MAR)-->MDR：根据主存地址去主存中找到需要的数据，把数据放入数据寄存器
(MDR)-->ALU：将数据寄存器中的数据放入ALU
(ACC)-->ALU：将ACC中的数据放入ALU
ALU-->ACC ：ALU算出的数据存入ACC中

功能：将ACC中的数据存入Z指的主存地址中
Z-->MAR：将主存地址存入地址寄存器中
(ACC)-->MDR：将ACC（上一题得到的数据）存入数据寄存器中
(MDR)-->M(MAR) ：将数据寄存器中的数据存入地址寄存器指的主存中的位置