单总线数据通路：统考大题主战场

考情分析

这是 408 计组综合题的主战场：2009 年（数据通路信息流向）、2015 年（单总线 + 移位寄存器）、2022 年（数据通路分析）的大题都是这个题型。题目给一张单总线 CPU 结构图和自定义的控制信号约定，要求写出某条指令每个节拍的微操作和控制信号。前面单周期/多周期两篇用的 MIPS 教学模型帮你建立直觉，但真题答题用的是本篇这套唐朔飞式写法。

单总线结构长什么样

CPU 内部所有部件挂在一条内部总线上：

通用寄存器 R0~R3 ─┐
PC ──────────────┤
MAR ─────────────┤  内部总线（每拍只能传一个数据）
MDR ─────────────┤
IR ──────────────┤
暂存器 Y ────────┤
ALU ←── Y（一个输入来自暂存器）
  ↑──── 总线（另一个输入直接来自总线）
ALU 输出 → 暂存器 Z → 总线

两个关键约束决定了一切：

每个节拍总线上只能传送一个数据——两个数据要传就得拆成两拍
ALU 是组合逻辑、自身不存数——两个输入不能同时来自总线，所以一个输入先存进暂存器 Y；输出也不能直接回总线（会和输入打架），先存进暂存器 Z

为什么需要 Y 和 Z（高频简答）

若没有 Y：ALU 两个操作数都要走总线，而总线一拍只能传一个数。若没有 Z：ALU 输出直接上总线，会与正在总线上的输入操作数冲突（组合逻辑成环）。单总线结构必须配 Y、Z 两个暂存器，这是和多总线结构对比的核心考点——三总线结构下 Y、Z 可省，节拍数更少。

控制信号的写法

每个寄存器与总线之间有两类门控信号：

信号	含义
`R0out`	打开 R0 → 总线的输出门
`R0in`	打开总线 → R0 的输入门
`MemR` / `MemW`	主存读 / 写命令
`ALU(add)` 等	ALU 操作类型

一拍的微操作写成传送语句 + 控制信号，例如 $(R_{0}) \to Y$ 这一拍的信号就是 R0out, Yin。

取指周期：所有指令共用的三拍

节拍	微操作	控制信号
T1	$(P C) \to M A R$	`PCout, MARin`
T2	$M (M A R) \to M D R$ ， $(P C) + 1 \to P C$	`MemR, MDRin, PC+1`
T3	$(M D R) \to I R$ ，操作码送译码器	`MDRout, IRin`

注意 T2 里 $(P C) + 1 \to P C$ 不占总线——PC 自增由专门的加 1 逻辑完成，所以能和访存同拍并行。这是"哪些操作可以并行"的判断标准：不抢总线、不抢部件的操作才能挤进同一拍。

三类指令的执行周期模板

① 寄存器-寄存器型：ADD R0, R1（功能 $(R_{0}) + (R_{1}) \to R_{0}$ ）

节拍	微操作	控制信号
T4	$(R_{0}) \to Y$	`R0out, Yin`
T5	$(R_{1}) + (Y) \to Z$	`R1out, ALU(add), Zin`
T6	$(Z) \to R_{0}$	`Zout, R0in`

② 取数型：LOAD R0, (R1)（功能 $M [(R_{1})] \to R_{0}$ ）

节拍	微操作	控制信号
T4	$(R_{1}) \to M A R$	`R1out, MARin`
T5	$M (M A R) \to M D R$	`MemR, MDRin`
T6	$(M D R) \to R_{0}$	`MDRout, R0in`

③ 存数型：STORE (R1), R0（功能 $(R_{0}) \to M [(R_{1})]$ ）

节拍	微操作	控制信号
T4	$(R_{1}) \to M A R$	`R1out, MARin`
T5	$(R_{0}) \to M D R$	`R0out, MDRin`
T6	$(M D R) \to M (M A R)$	`MemW, MDRout(至主存)`

完整例题：访存加法指令

题：写出指令 ADD R0, (R1)（功能 $(R_{0}) + M [(R_{1})] \to R_{0}$ ）从取指到执行完毕的全部节拍。

解：

节拍	微操作	控制信号	说明
T1	$(P C) \to M A R$	`PCout, MARin`	取指
T2	$M (M A R) \to M D R$ ， $(P C) + 1 \to P C$	`MemR, MDRin, PC+1`	取指
T3	$(M D R) \to I R$	`MDRout, IRin`	取指、译码
T4	$(R_{1}) \to M A R$	`R1out, MARin`	送操作数地址
T5	$M (M A R) \to M D R$	`MemR, MDRin`	取操作数
T6	$(M D R) \to Y$	`MDRout, Yin`	一个操作数进暂存器
T7	$(R_{0}) + (Y) \to Z$	`R0out, ALU(add), Zin`	另一个操作数走总线，运算
T8	$(Z) \to R_{0}$	`Zout, R0in`	结果写回

共 8 拍。若问"哪几拍访问了主存"：T2、T5 两拍（取指一次 + 取操作数一次）。

答题套路（四步）

取指三拍照抄（除非题目说明取指已完成）
执行段先写数据流：操作数从哪来 → 经不经过 ALU → 结果到哪去
按"一拍一个总线传送"拆拍：双操作数运算必有"先进 Y、再运算进 Z、最后 Z 写回"三拍
控制信号照"out/in 配对"翻译：源寄存器 out + 目的寄存器 in，访存拍加 MemR/MemW，运算拍加 ALU 操作

常见丢分点：

忘了 Y/Z，让 ALU 两个输入同时走总线 ❌
把 $(P C) + 1$ 单独占一拍（它有专用加 1 逻辑，可并入 T2）❌
STORE 类指令把 MemW 写在数据还没进 MDR 的那一拍 ❌

真题练习

题库中以下真题就是本题型，建议按"先自己写节拍表、再对答案"的方式练：

2009 年第 44 题：给定数据通路画信息流向
2015 年第 43 题：单总线 + 移位寄存器 SR，写指令的节拍安排
2022 年第 43 题：数据通路分析

单总线数据通路：统考大题主战场 ​

考情分析 ​

单总线结构长什么样 ​

控制信号的写法 ​

取指周期：所有指令共用的三拍 ​

三类指令的执行周期模板 ​

完整例题：访存加法指令 ​

答题套路（四步） ​

真题练习 ​

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