计算机组成原理课设基本模型机数据通路.pdf

《计算机组成原理：基本模型机数据通路解析》 计算机组成原理是一门深入理解计算机硬件运作机制的关键课程，其中模型机数据通路的设计是核心内容之一。数据通路是计算机内部数据流动的路径，它连接了CPU的各个组成部分，包括运算器、寄存器、内存等，使得指令的执行得以有序进行。以下是对这一主题的详细解析。 指令寄存器（IR）在数据通路中起着至关重要的作用。它存储当前正在执行的指令，指令由操作码和地址码字段组成，通常为二进制形式。当执行指令时，指令先从内存被加载到缓冲寄存器，然后传输至IR。指令译码器根据操作码解码，确定所需的操作，并设定微控制器的微地址，引导微程序的执行。 数据通路的整体设计如图2-1所示，以微程序控制器为核心，一条机器指令的执行从取指令到指令结束，整个过程由一系列微指令控制。ALU（算术逻辑单元）用于执行计算操作，通用寄存器（GR）存储数据和中间运算结果，程序计数器（PC）用于跟踪指令地址，数据总线和地址总线则负责信息传输。 数据通路的工作流程如下：程序计数器的地址送到内存的地址寄存器，根据该地址找到对应的存储单元。如果存储器中的数据是指令，数据会从RAM经总线传送到IR；若为待处理数据，则送至通用寄存器。运算过程中，数据通过三态门在总线与暂存器之间流动，由微控制器控制三态门的开关。 运算器的物理结构包括74LS181逻辑运算芯片和74LS273暂存器。74LS181可以执行多种运算，其功能由S0-S4和M控制，M决定了是执行算术运算还是逻辑运算，Cn决定了是否带进位。74LS273则提供寄存器功能，通过CLK信号进行数据的选定和输入。8位运算器结构中，两片74LS181协同工作，数据来源于74LS273，运算结果通过总线返回寄存器，整个过程受控制信号如LDDR1和LDDR2以及T4信号的调度。 存储器系统是计算机的重要组成部分，一般采用多体交叉存储技术以提高访问效率。主存储器通常由若干存储芯片组成，每个芯片有多个存储单元，通过地址总线寻址，数据总线读写数据。 基本模型机的数据通路设计涉及到指令的获取、解码、执行以及数据的存储、处理和传输。理解这一过程对于深入掌握计算机工作原理至关重要，也是进行硬件设计和优化的基础。通过以上分析，我们可以看到，每一个微小的组件都在整个系统中发挥着不可或缺的作用，共同构建出计算机运行的基石。