一、概述
在计算机组成原理中，数据通路是指 CPU 内部各功能部件之间传输信息的通路。它包括数据通路和控制通路两部分，本文主要讨论数据通路的结构形式。
单总线结构是最基本、最简单的数据通路组织方式。所有部件（ALU、寄存器、存储器等）都连接到同一条总线上，通过分时复用的方式完成数据传输。虽然结构简单，但它是理解更复杂总线结构的基础。
二、基本结构
单总线结构的核心思想是：用一条公共总线将 CPU 内部所有功能部件连接起来。在任一时刻，只允许一个部件向总线发送数据，另一个部件从总线接收数据。主要包含以下组件：
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| 组件 | 功能说明 | 特点 |
| ALU | 执行算术运算和逻辑运算 | 组合逻辑电路，无内部状态 |
| 通用寄存器组 | 暂存操作数和中间结果 | 数量有限，访问速度快 |
| 程序计数器 PC | 存放下一条指令的地址 | 具有自动加 1 功能 |
| 指令寄存器 IR | 存放当前正在执行的指令 | 内容来自存储器 |
| 存储器地址寄存器 MAR | 存放要访问的主存单元地址 | 连接总线和存储器 |
| 存储器数据寄存器 MDR | 暂存从主存读/写的数据 | 双向连接总线和存储器 |
| 系统总线 | 连接各部件的公共通路 | 分时复用，同一时刻只传一组数据 |
三、工作原理
单总线结构的工作原理可以概括为"分时复用"。由于只有一条总线，多个部件不能同时使用总线传输数据，因此需要通过控制信号协调各部件的访问时序。
以一条典型的"加法"指令执行过程为例，其执行步骤如下：
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| 步骤 | 微操作 | 说明 |
| 1 | PC -> MAR | 将 PC 中的指令地址送入 MAR |
| 2 | MMAR -> MDR, PC+1 | 从存储器取指令到 MDR，PC 自动加 1 |
| 3 | MDR -> IR | 将指令从 MDR 送入 IR |
| 4 | IR(地址) -> MAR | 将指令中的操作数地址送入 MAR |
| 5 | MMAR -> MDR | 从存储器取操作数到 MDR |
| 6 | MDR -> ALU -> 通用寄存器 | 执行运算并将结果存回寄存器 |
可以看出，每个时钟周期只有一组数据在总线上传输，这就是"分时复用"的具体体现。
四、优缺点分析
4.1 优点
- 结构简单：只需一条总线，硬件连接少，易于实现。
- 成本低：总线线路少，节省了芯片面积和制造成本。
- 控制简单：总线仲裁逻辑简单，易于理解和教学。
4.2 缺点
- 性能瓶颈：同一时刻只能传输一组数据，存在结构冲突。
- 效率低：多个部件共享总线，指令执行周期长。
- 扩展性差：新增部件会进一步加剧总线竞争。