計算機組成原理 第9章 控制單元的功能

1、第九章控制單元的功能第九章控制單元的功能 計算機組成原理計算機組成原理 主講人：陳志勇主講人：陳志勇 山東大學山東大學 計算機科學與學院計算機科學與學院作者：唐朔飛作者：唐朔飛高等教育出版社高等教育出版社2l上期回顧上期回顧1. CPU1. CPU主要包含哪些部件？主要包含哪些部件？2. 2. 指令周期指令周期l第四篇第四篇 控制單元控制單元功能：發(fā)出各種控制信號序列功能：發(fā)出各種控制信號序列分析時序系統(tǒng)以及微操作命令分析時序系統(tǒng)以及微操作命令節(jié)拍安排節(jié)拍安排學習如何用組合邏輯控制及微學習如何用組合邏輯控制及微程序控制兩種方式設計控制單程序控制兩種方式設計控制單元元神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng) 第九章控制

2、單元的功能 3內(nèi)容提要內(nèi)容提要10.2 微程序設計微程序設計 10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計 9.2 控制單元的功能控制單元的功能 9.1 微操作命令的分析微操作命令的分析 4假設完成一條指令分假設完成一條指令分 4 個工作周期：個工作周期： 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 中斷周期中斷周期 5一、取指周期一、取指周期 PC MAR 地址總線地址總線1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲器存儲器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OP（IR） CU (PC)指令指令6二、間址周期

3、二、間址周期 M ( MAR ) MDR1 RMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR存儲器存儲器地址地址Ad ( IR ) MAR 地址總線地址總線說明：說明：在有些機器中沒有最后一步操作。在有些機器中沒有最后一步操作。7三、執(zhí)行周期三、執(zhí)行周期 1. 非訪存指令非訪存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循環(huán)左移循環(huán)左移(3) SAR 算術(shù)右移算術(shù)右移 (Shift Arithmetic Right) (5) STP 停機指令停機指令0 ACCACC ACCL(ACC)

4、R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G(此處此處G為運行標志觸發(fā)器為運行標志觸發(fā)器)82. 訪存指令訪存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X (隱含尋址隱含尋址/直接尋址直接尋址)(2) 存數(shù)指令存數(shù)指令(1) 加法指令加法指令9(3) 取數(shù)指令取數(shù)指令Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令(1) 無條件轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn)(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移Ad ( IR ) P

5、CA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負則轉(zhuǎn)）（負則轉(zhuǎn)）104. 三類指令的指令周期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)行周期間接轉(zhuǎn)移間接轉(zhuǎn)移 指令周期指令周期11四、中斷周期四、中斷周期程序斷點存入程序斷點存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點程序斷點 進棧

6、進棧0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址向量地址 PC0 EINT（置置“0”） 0 EINT（置置“0”）向量地址向量地址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W( SP ) 1 MAR12一、控制單元的外特性一、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時鐘時鐘標志位標志位CPU 內(nèi)部的控制信號內(nèi)部的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線131. 輸入信號輸入信號(1) 時鐘時鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來信號外來信號(3) 標志標志CU 受時鐘控制受時鐘控

7、制控制信號控制信號 與操作碼有關與操作碼有關OP ( IR ) CUCU 受標志位控制受標志位控制INTR 中斷請求中斷請求HRQ 總線請求總線請求一個時鐘脈沖一個時鐘脈沖 發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令如如142. 輸出信號輸出信號(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號內(nèi)的各種控制信號(2) 送至控制總線的信號送至控制總線的信號Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號訪存控制信號訪訪 IO/ 存儲器的控制信號存儲器的控制信號讀命令讀命令寫命令寫命令中斷響應信號中斷響應信號總線響應信號總線響應信號MREQIO/MRDWRALU 、

8、與、或、與、或15二、控制信號舉例二、控制信號舉例PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 為例為例PCIRCU1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A R內(nèi)存內(nèi)存16PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A R二、控制信號舉例二、控制信號舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式（內(nèi)部總線的方式（P380約定）約定）C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期IR M D R M D R

9、 M A R內(nèi)存內(nèi)存17PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A R二、控制信號舉例二、控制信號舉例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C7C6C8ACALU控制控制信號信號 M D R M A R M D R內(nèi)存內(nèi)存18MDRMDRCU(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控制信號控制信號IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制信

10、號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘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MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCUi i表示輸入控制，表示輸入控制，o o表示輸出控制表示輸出控制19(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)線時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號控制信號控制信號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MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROM

11、DROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU20時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號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控制信號控制信號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MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU21采用內(nèi)總線結(jié)構(gòu)的指令流程舉例采用

12、內(nèi)總線結(jié)構(gòu)的指令流程舉例22PC+1R23PC+1R(AC)-(Y) ZHBus YAC0, Y0, ALUi, ”-“24例例 9.29.2 圖中，各寄存器的輸入和輸出均受控制信號控制。圖中，各寄存器的輸入和輸出均受控制信號控制。假設指令地址已存于假設指令地址已存于PCPC中，畫出中，畫出 ADD X,DADD X,D和和STA STA * * D D兩條兩條指令的周期信息流程圖，并列出相應的控制信號序列。指令的周期信息流程圖，并列出相應的控制信號序列。BusBus2520092009年研究生入學考試年研究生入學考試4444題題l(13分分)某計算機字長某計算機字長16位，采用位，采用16位

13、定長指位定長指令字結(jié)構(gòu)，部分數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖中所示，令字結(jié)構(gòu)，部分數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)如圖中所示，圖中所有控制信號為圖中所有控制信號為1時表示有效，為時表示有效，為0時表時表示無效，例如控制信號示無效，例如控制信號MDRinE為為1表示允表示允許數(shù)據(jù)從許數(shù)據(jù)從DB打入打入MDR，MDRin為為1表示允表示允許數(shù)據(jù)從內(nèi)總線打入許數(shù)據(jù)從內(nèi)總線打入MDR。l假設假設MAR的輸出一直處于使能狀態(tài)。加法的輸出一直處于使能狀態(tài)。加法指令指令“ADD (R1),R0”的功能為的功能為(R0)+(R1)（R1），即將），即將R0中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與R1的內(nèi)容所指的內(nèi)容所指主存單元的數(shù)據(jù)相加，并將結(jié)果送入主存單元的數(shù)據(jù)

14、相加，并將結(jié)果送入R1的內(nèi)的內(nèi)容所指主存單元中保存。容所指主存單元中保存。時鐘時鐘功能功能有效控制信號有效控制信號C1C1MAR(PC)MAR(PC)PCout,MARinPCout,MARinC2C2MDRM(MAR)MDRM(MAR)PC(PC)+1PC(PC)+1MemR,MDRinE,MemR,MDRinE,PC+1PC+1C3C3IR(MDR)IR(MDR)MDRout,IRinMDRout,IRinC4C4指令譯碼指令譯碼無無l 下表給出了上述指令取指和下表給出了上述指令取指和譯碼階段每個節(jié)拍（時鐘周期譯碼階段每個節(jié)拍（時鐘周期）的功能和有效控制信號，）的功能和有效控制信號，請請按

15、表中描述方式用表格列出指按表中描述方式用表格列出指令執(zhí)行階段每個節(jié)拍的功能和令執(zhí)行階段每個節(jié)拍的功能和有效控制信號有效控制信號。26數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路R0R1inA內(nèi)總線內(nèi)總線MARMDRIRPCMDRoutEPCinACin存儲器存儲器(M)ALUMDRinCPUMemWIRinDataAddrMemR地址總線地址總線AB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB控制總線控制總線CBACAddAinACoutR1R1outMARinMDRoutMDRinE指令指令譯碼譯碼部件部件PC+1PCoutR0inR0outXout 三態(tài)門三態(tài)門控制信號控制信號Xin 寄存器寄存器輸入控制信號輸入控制信號圖例圖例27

16、參考答案一參考答案一時鐘時鐘功能功能有效信號有效信號C5C5MAR(R1)MAR(R1)R1out,MARinR1out,MARinC6C6MDRM(MAR)MDRM(MAR)A(R0)A(R0)MemR,MDRinEMemR,MDRinER0out,AinR0out,AinC7C7AC(MDR)+(A)AC(MDR)+(A)MDRout,Add,ACinMDRout,Add,ACinC8C8MDR(AC)MDR(AC)ACout,MDRinACout,MDRinC9C9M(MAR)(MDR)M(MAR)(MDR)MDRoutE,MemWMDRoutE,MemW28參考答案二參考答案二時鐘時鐘

17、功能功能有效信號有效信號C5C5MAR(R1)MAR(R1)R1out,MARinR1out,MARinC6C6MDRM(MAR)MDRM(MAR)MemR,MDRinEMemR,MDRinEC7C7A(MDR)A(MDR)MDRout,AinMDRout,AinC8C8AC(A)+(R0)AC(A)+(R0)MDRout,Add,ACinMDRout,Add,ACinC9C9MDR(AC)MDR(AC)ACout,MDRinACout,MDRinC10C10M(MAR)(MDR)M(MAR)(MDR)MDRoutE,MemWMDRoutE,MemW29三、多級時序系統(tǒng)三、多級時序系統(tǒng) 1.

18、機器周期機器周期(1) 機器周期的概念機器周期的概念(2) 確定機器周期需考慮的因素確定機器周期需考慮的因素(3) 基準時間的確定基準時間的確定所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間每條指令的執(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 時間時間 以完成以完成 最復雜最復雜 指令功能的時間指令功能的時間 為準為準 以以 訪問一次存儲器訪問一次存儲器 的時間的時間 為基準為基準若指令字長若指令字長 = 存儲字長存儲字長取指周期取指周期 = 機器周期機器周期302. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作一個機器周期內(nèi)

19、可完成若干個微操作每個微操作需一定的時間每個微操作需一定的時間時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間將一個機器周期分成若干個時間相等的將一個機器周期分成若干個時間相等的時間段（時間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期）用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令31CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3323. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級

20、時序系統(tǒng)一個指令周期包含若干個機器周期一個指令周期包含若干個機器周期一個機器周期包含若干個時鐘周期一個機器周期包含若干個時鐘周期CLK機器周期機器周期 機器周期機器周期 機器周期機器周期 （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機器周期機器周期機器周期機器周期（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))工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3T1T1工作脈沖工作脈沖P PT2T2指

21、令周期指令周期控制不同階段操作時間控制不同階段操作時間控制分步操作時間控制分步操作時間對微操作定時對微操作定時取指取指取操作數(shù)，執(zhí)行取操作數(shù)，執(zhí)行取地址取地址取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC基準時鐘基準時鐘工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3節(jié)拍節(jié)拍工作脈沖工作脈沖P P節(jié)拍節(jié)拍T2T2指令周期指令周期取指取指修改修改打入打入打入打入補充：補充：組合邏輯控制器的時序劃分組合邏輯控制器的時序劃分344. 機器速度與機器主頻的關系機器速度與機器主頻的關系機器的機器的 主頻主頻 f 越快越快 機器的機器的 速度也越快速度也越快在機器周期所含時鐘周期數(shù)

22、在機器周期所含時鐘周期數(shù) 相同相同 的前提下，的前提下，兩機兩機 平均指令執(zhí)行速度之比平均指令執(zhí)行速度之比 等于等于 兩機主頻之比兩機主頻之比機器速度機器速度 不僅與不僅與 主頻有關主頻有關 ，還與機器周期中所，還與機器周期中所含含時鐘周期時鐘周期（主頻的倒數(shù)）（主頻的倒數(shù)）數(shù)數(shù) 以及指令周期中所以及指令周期中所含的含的 機器周期數(shù)有關機器周期數(shù)有關MIPS1MIPS2=f1f235四、控制方式四、控制方式 如何形成控制不同微操作序列所采用的時序控制方式如何形成控制不同微操作序列所采用的時序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式（預先設定）（預先設定）任一微操作均由任一微操作均由 統(tǒng)一基準時標

23、統(tǒng)一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制CLK機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（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 定長定長 的機器周期的機器周期以以 最長最長 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 標準標準機器周期內(nèi)機器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)相同節(jié)拍數(shù)相同36(2) 采用不定長的機器周期采用不定長的機器周期 機器周期機器周期機器周期機器周期（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

24、(狀態(tài)狀態(tài))機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長機器周期內(nèi)機器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)不等節(jié)拍數(shù)不等37(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 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機器周期機器周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節(jié)拍寬度與局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致中央控制的節(jié)拍寬度一致T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍382. 異步控制方式異步控制方式 無基準時標信號無基

25、準時標信號無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步采用采用 應答方式應答方式3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 4. 人工控制方式人工控制方式 (調(diào)試方式調(diào)試方式) (1) (1) ResetReset(2) (2) 連續(xù)連續(xù) 和和 單條單條 指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(3) (3) 符合停機開關（指示存儲器的位置）符合停機開關（指示存儲器的位置）(同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合)大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待 39補充：補充： 時序控制方式時序控制方式 計算機的操作和時序信號之間的關系，稱為計算機的操作和時序信號之間的關系，稱為時序控制方式。

26、常用的有同步控制方式和異步控時序控制方式。常用的有同步控制方式和異步控制方式。制方式。1 1、同步控制方式、同步控制方式 概念概念：用統(tǒng)一發(fā)出的時序信號對各項操作進：用統(tǒng)一發(fā)出的時序信號對各項操作進行同步控制行同步控制, ,稱為同步控制方式。（稱為同步控制方式。（時鐘周期作為時鐘周期作為基本時序基本時序） 特點特點：有明顯時序時間劃分，時鐘周期時間：有明顯時序時間劃分，時鐘周期時間固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴格同步定時控制。受嚴格同步定時控制。 優(yōu)缺點優(yōu)缺點：時序關系簡單，時序劃分規(guī)整，控制：時序關系簡單，時序劃分規(guī)整，控制40不復雜

27、；控制邏輯易于集中，便于管理。不復雜；控制邏輯易于集中，便于管理。時間安時間安排不合理；時間利用不經(jīng)濟排不合理；時間利用不經(jīng)濟。 應用場合應用場合：用于：用于CPUCPU內(nèi)部、設備內(nèi)部、系統(tǒng)內(nèi)部、設備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作總線操作( (各掛接部件速度相近，傳送時間確定，各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近傳送距離較近) )。2 2、異步控制方式、異步控制方式 概念概念：各項操作按不同需要安排時間，不受：各項操作按不同需要安排時間，不受統(tǒng)一時序控制。統(tǒng)一時序控制。 特點特點：無統(tǒng)一時鐘周期劃分，各操作間的銜：無統(tǒng)一時鐘周期劃分，各操作間的銜接和各部件之間的信息交換接和各部件之間的信息交換采用異步應答方式采用異步應答方式。補充：補充： 時序控制方式時序控制方式41例例. .異步傳送操作異步傳送操作主設備主設備：申請并掌握總線控制權(quán)的設備申請并掌握總線控制權(quán)的設備。從設備從設備：響應主設備請求的設備響應主設備請求的設備。補充：補充： 時序控制方式時序控制方式總線總線主主從從發(fā)發(fā)