2015年数据通路大题

【知识回顾】

（2）指令中的【寻址特征】又称为【寻址方式】；指令中的操作数可以有多个，每个操作数都是【寻址特征】+【形式地址】共同指出。

形式地址可能是具体的某个内存地址 或 寄存器编号。

（3）以in或out结尾的控制信号控制某部件的输入输出，如用1表示有效时，

Tin=1表示向T输入数据，Tin=0表示未向T输入数据。

以op结尾的控制信号，如存储器控制信号MEMop，助记符是read读和write写（实际还是发送0和1二进制编码）。

【真题】

机器字长=存储字长=指令字长=16bit

计算机所需要的数据刚好能通过一次存取操作取出（16bit）

第一问：可见的寄存器  暂存器作用

（1）图中哪些寄存器是程序员可见的？为啥要设置暂存器T？

【解析】通用寄存器R0~R3和PC。

因此采用了单总线结构，若无暂存器T，则ALU的A、B端口会同时获得2个相同的数据，使数据通路不能正常工作。

【注意】程序员可见即指可编程，如在可在指令中指示使用哪个通用寄存器；可通过转移指令修改PC值；可修改PSW中的中断允许位来进行中断控制。PSW程序状态字存放一些标志和状态位。

第二问：控制信号位数

（2）控制信号ALUop和SRop的位数至少各是多少？

【解析】等价于问 分别给ALU和SR的操作编号，各需要多少个二进制位。

ALU共有7种操作，故其操作控制信号ALUop至少需要3位，

SR移位寄存器共3种操作，其操作控制信号SRop至少需要2位。

第三问：三态门

（3）控制信号SRout所控制部件的名称或作用是？

【解析】信号SRout所控制的部件用于控制移位器与总线之间数据通路的连接与断开。

名称为三态门——可以根据控制信号产生3种状态（连接、断开&高阻）。

第四问：控制部件

（4）端点1~9中，哪些端点需连接到控制部件的输出端?

【解析】首先明确控制部件输出啥，由于IR存放指令（送到控制部件），所以控制部件输出指令译码的结果（对应数据通路的数据信号）。

控制部件通过输出端向各个部件发送控制信号，故需要接收控制信号的端点都需要连接到控制部件的输出端——即在图中所有横着画的信号（端口1、2、3、5、8需连接到控制部件输出端）。

第五问：数据通路连线

（5）为完善总线数据通路，需要在端点1~9中相应的端点之间添加必要的连线，写出连线的起点和终点，以正确表示数据的流动方向。

【解析】由于6号最终要连到4号的，而现在中间多了一个MUX，则是6号连接9号，7号连接4号。

第六问：MUX & PC

（6）为啥二路选择器MUX的一个输入端是2？

【解析】多路选择器MUX——通过控制信号来决定把哪个输入端传送到输出端。

联想平时做题的PC+1，而该图中的PC旁边并没有写“+1”即没自动加1功能，所以要把PC送到ALU的一端，再通过MUX多路选择器把2送入ALU的另一端，ALU运算完PC+2后将结果送回PC。

【答案】因为每条指令的长度为16位，按字节编址，所以每条指令占2个内存单元，顺序执行时，下条指令地址为（PC）+2.MUX的一个输入端为2，可便于执行（PC）+2操作。

该背景的第二大题

记住上题给的条件——采用16位定长指令字格式

第一问：OP操作码位

（1）该机的指令系统最多可定义多少条指令？

【解析】寻址方式位分别为0和1意味着用1个二进制位；需用2个二进制位“寻址”4个通用寄存器。

可以有3个操作数，每个操作数有1位寻址方式位和2位寄存器编号。

操作码字段为16-3×（1+2）=7位，最多定义2^7=128条指令。

第二问：指令格式&寻址

（2）假定inc、shl和sub指令的操作码分别为01H、02H和03H，则以下指令对应的机器代码各是什么？

1）inc R1 ;           R1+1->R1

——单地址指令，最后6位为0，OP=000 0001，目的操作数=001，

所以机器代码为0000 0010 0100 0000即0240H. 

2）shl R2,R1 ;      (R1)<<1->R2

——二地址指令，最后3位为0，OP=000 0010，目的操作数为010（送到R2，寄存器直接寻址）；源操作数为001（对R1寄存器直接寻址），即机器代码为0000 0100 1000 1000即0488H。

3）sub R3,(R1)，R1； ((R1))-(R2)->R3

——三地址指令， OP=000 0011，目的操作数为011（送往R3，寄存器直接寻址）；源操作数1为101（对R1寄存器间接寻址）；源操作数2为010（对R2寄存器直接寻址），即机器代码为0000 0110 1110 1010即06EAH.

第三问：数据通路

先分析取指阶段：

【第一个时钟周期】PCout=1时PC的值就会输出到总线上，所有和总线连接的部件都可以看到这个PC的值（但是是根据in结尾的控制信号来判断是否接收）。

可以看做MEMop=read中省略了MDRin=1（或把这里的read功能看作一个复杂的功能）。

【第二个时钟周期】ALUop=add，因为加法器的一端是输入了PC，所以可以推测是“PC+1”，但应该是从MUX过来一个“2”。

每行代表一个时钟周期，所以对第二行分析前要撤销所有第一行的通路上的控制信号（撤销信号不会改变寄存器、暂存器里面的内容）。

MUX是多路选择器（由MUXop决定将哪个输入直接送到输出端），MUXop=0时会选择2通过MUX进入ALU的一个端口。

【第三个时钟周期】ALU完成+2操作后将结果送到移位寄存器，再mov直送到SRout指的部件，PCin=1即使新的PC值进入PC。

【第四个时钟周期】MDRout（题目省略=1），IRin=1实现MDR->IR

再分析执行阶段：

------shl R2,R1：执行效果是（R1）<<1->R2

进入T后，ALU不用做啥——所以【直送ALUop=mova】，接着去到移位寄存器SR（SRop=left）

【注意】审题——ALU的直送是mova，而SR的直送是mov。

-------sub R0,R2,(R1)：执行效果是（（R1））-（R2）->R0

R1out=1,MARin=1,MEMop=read;

R2out=1,Tin=1

MDRout=1,MUXop=1 ALUop=sub（间接寻址后将MDR数据送往ALU和R2值作减法） SRop=mov

最后一个时钟周期，先看R0in=1即R0准备好接收数据，即前一个是SRout=1.

第四问：指令总时间

（4）指令“sub R1，R3,(R2)”和“inc R1”的执行阶段至少各需要多少个时钟周期？

【解析】sub R1，R3,(R2)和第三问的sub R0，R2,(R1)类似（只是寄存器编号不同），从题目图中可看出至少是4个时钟周期。

inc R1的执行阶段：（也和第三问的sub类似）

R1out=1，Tin=1，ALUop=inc，SRop=mov（不用到移位寄存器，所以直送moc就行）

SRout=1，R1in=1

【注意】inc是自增1（上一大题的题干有说）即inc R1效果为(R1)+1->R1和第三问中左边的（R1）<<1->R2类似，至少用2个时钟周期。

总结：

【注意】本题中有些步骤比较特殊，不像上面总结第四点的2）说的“有先后顺序不可并行”，所以要注意题目说明。

另外，要学会仿造题目安排微操作序列或者控制信号。