計(jì)算機(jī)組成原理 第7章 控制單元的功能

1、第九章第九章 控制單元的功能控制單元的功能9.1 操作命令的分析9.2 控制單元的功能9.1 9.1 操作命令的分析操作命令的分析完成一條指令分 4 個(gè)工作周期取指周期間址周期執(zhí)行周期中斷周期一、取指周期PC MAR 地址線1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲(chǔ)器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線9.1 9.1 操作命令的分析操作命令的分析二、間址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)

2、總線控制總線控制總線IR存儲(chǔ)器三、執(zhí)行周期1. 非訪存指令(1) CLA 清A(2) COM 取反(4) CSL 循環(huán)左移(3) SHR 算術(shù)右移(5) STP 停機(jī)指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪存指令A(yù)d(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存數(shù)指令存數(shù)指令(1) 加法指令加法指令(3) 取數(shù)指令A(yù)d ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR

3、 ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令(1) 無(wú)條件轉(zhuǎn)(2) 條件轉(zhuǎn)移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負(fù)則轉(zhuǎn)）（負(fù)則轉(zhuǎn)）4. 三類指令的指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期非訪存非訪存 指令周期指令周期直接訪存直接訪存 指令周期指令周期間接訪存間接訪存 指令周期指令周期轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 指令周期指令周期四、中斷周期程序斷點(diǎn)存入 “ 0 ” 地址程序斷點(diǎn) 進(jìn)棧0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址 PC

4、0 EINT（置“0”）0 EINT（置“0”）向量地址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W( SP ) 1 MAR中斷識(shí)別程序入口地址中斷識(shí)別程序入口地址 M PC9.2 9.2 控制單元的功能控制單元的功能一、控制單元的外特性指令寄存器指令寄存器控制單元控制單元 CU時(shí)鐘時(shí)鐘標(biāo)志標(biāo)志CPU 內(nèi)部的控制信號(hào)內(nèi)部的控制信號(hào)到系統(tǒng)總線的控制信號(hào)到系統(tǒng)總線的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)總線的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)總線的控制信號(hào)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線1. 輸入信號(hào)(1) 時(shí)鐘(2) 指令寄存器(4) 外來(lái)信號(hào)(3) 標(biāo)志CU 受時(shí)鐘控制控制信號(hào) 與操作碼有關(guān)OP ( IR ) CUCU 受標(biāo)志控制INTR 中

5、斷請(qǐng)求HRQ 總線請(qǐng)求一個(gè)時(shí)鐘脈沖一個(gè)時(shí)鐘脈沖 發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令如如2. 輸出信號(hào)(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號(hào)(2) 送至控制總線的信號(hào)Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號(hào)訪 IO/ 存儲(chǔ)器的控制信號(hào)讀命令寫命令中斷響應(yīng)信號(hào)總線響應(yīng)信號(hào)MREQIO/MRDWRALU 、與、或二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例PCIRACCU時(shí)鐘ALU M D R M A R控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào)C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 為例為例 M D RPC M A RIRCU1. 不采用

6、不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式PCIRACCU時(shí)鐘ALU M D R M A R控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào)C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU時(shí)鐘ALU M D R M A R控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào)二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式C1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制控制信號(hào)信號(hào)M

7、DRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC CU 發(fā)讀命令發(fā)讀命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時(shí)鐘時(shí)鐘2. 采用采用 CPU 內(nèi)部總線方式內(nèi)部總線方式地址線地址線地址線地址線MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIR(2) ADD X 間址周期間址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線時(shí)鐘時(shí)鐘CUIRPCMARMD

8、RACYALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線MDRIRMARi MARi地址線地址線地址線地址線MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR 時(shí)鐘時(shí)鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線MDROMDRO(3) ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信號(hào)控制信號(hào)MARMDR地址線地址線 地址線地址線 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROY

9、iYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC三、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)三、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)1. 機(jī)器周期機(jī)器周期(1) 機(jī)器周期的概念機(jī)器周期的概念(2) 確定機(jī)器周期需考慮的因素確定機(jī)器周期需考慮的因素(3) 基準(zhǔn)時(shí)間的確定基準(zhǔn)時(shí)間的確定所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間每條指令的執(zhí)行每條指令的執(zhí)行 步驟步驟每一步驟每一步驟 所需的所需的 時(shí)間時(shí)間 以完成以完成 最復(fù)雜最復(fù)雜 指令功能的時(shí)間指令功能的時(shí)間 為準(zhǔn)為準(zhǔn) 以以 訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器 的時(shí)間的時(shí)間 為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)若指令

10、字長(zhǎng)若指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)取指周期取指周期 = 機(jī)器周期機(jī)器周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作每個(gè)微操作需一定的時(shí)間每個(gè)微操作需一定的時(shí)間用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的時(shí)間段（時(shí)間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期）CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級(jí)

11、時(shí)序系統(tǒng)多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)一個(gè)指令周期含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)指令周期含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期CLK機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） 指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài)) 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))四、控制方式四、控制方

12、式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式任一微操作均由任一微操作均由 統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo) 的時(shí)序信號(hào)控制的時(shí)序信號(hào)控制CLK機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 完全統(tǒng)一完全統(tǒng)一 的機(jī)器周期和節(jié)拍的機(jī)器周期和節(jié)拍以以 最長(zhǎng)最長(zhǎng) 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作為的微操作作為 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(2) 采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長(zhǎng)延長(zhǎng)(3) 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機(jī)器周期機(jī)器周期執(zhí)行周期