第九章控制單元的功能

1、第章第章 控制單元的功能控制單元的功能9.1 9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 9.2 控制單元的功能控制單元的功能取取 指令指令取取 地址地址取取 操作數(shù)操作數(shù)存存 程序斷點程序斷點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FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXD在在CPUCPU內(nèi)可分別設(shè)置標(biāo)志觸發(fā)器來區(qū)分：內(nèi)可分別設(shè)置標(biāo)志觸發(fā)器來區(qū)分： 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完成一條指令分 4 4 個工作周期個工作周期3 現(xiàn)行指令地址送到存儲器地址寄存器，現(xiàn)行指令地址送到存儲器地址寄存器，并送上過并送上過地址總線地址

2、總線 向主存儲器發(fā)出讀命令，啟動主存作讀操作，向主存儲器發(fā)出讀命令，啟動主存作讀操作， 將將MARMAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容 （指令）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入（指令）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入MDR.MDR. 把指令送到指令寄存器把指令送到指令寄存器IRIR。 形成下一條指令的地址形成下一條指令的地址, ,記作記作 PCMAR記作記作 1R記作記作 M(MAR) MDR記作記作 MDR IR 記作記作 (PC)+1 PC一、取指周期一、取指周期MDRCUMARPCIR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IR+1 PCMAR AB

3、M DB MDR IR,PC+1 PC 將指令的地址碼部分送到存儲器地址寄存器，將指令的地址碼部分送到存儲器地址寄存器， 向主存儲器發(fā)出讀命令向主存儲器發(fā)出讀命令R R，啟動主存的讀操作，啟動主存的讀操作， 將將MARMAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（有效地址）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入（有效地址）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入MDRMDR， 把操作數(shù)有效地址送到把操作數(shù)有效地址送到存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器, ,記作記作 Ad(IR) MAR記作記作 1R記作記作 M(MAR) MDR記作記作 MDR MAR二、間址周期二、間址周期 除間指周期外，其它一些尋址方式

4、如果操作數(shù)在除間指周期外，其它一些尋址方式如果操作數(shù)在主存儲器，在形成操作數(shù)有效地址（并送到存儲器地址主存儲器，在形成操作數(shù)有效地址（并送到存儲器地址寄存器中）后，也需要訪問主存取數(shù)。操作如下：寄存器中）后，也需要訪問主存取數(shù)。操作如下： 向主存儲器發(fā)出讀命令向主存儲器發(fā)出讀命令R R，啟動主存作讀操作，啟動主存作讀操作， 記作記作 1R 將將MARMAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（數(shù)據(jù)）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入（數(shù)據(jù)）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入MDRMDR，記作記作 M(MAR) MDRMDRCUMARCPU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PCIR

5、存儲器存儲器MDRAd(MDR) MAR AB M DB(EA) MDR形成地址形成地址Ad(MDR) 不同指令在執(zhí)行周期的微操作是不同的不同指令在執(zhí)行周期的微操作是不同的，下面分下面分“非訪存指令非訪存指令”，“訪存指令訪存指令”，“轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令”討論討論：1 1非訪存指令非訪存指令（1 1）清除累加器指令）清除累加器指令CLACLA該指令完成累加器清零的操作，該指令完成累加器清零的操作，記作記作 0ACC（2 2）累加器取反指令）累加器取反指令COMCOM該指令完成累加器內(nèi)容取反的操作，該指令完成累加器內(nèi)容取反的操作，記作記作ACCACC（3 3）累加器加）累加器加1 1指令指令I(lǐng)

6、NCINC該指令完成累加器內(nèi)容加該指令完成累加器內(nèi)容加1 1，結(jié)果送累加器的操作，結(jié)果送累加器的操作，記作記作 (ACC)+1ACC三、執(zhí)行周期三、執(zhí)行周期該指令完成累加器內(nèi)容算術(shù)右移該指令完成累加器內(nèi)容算術(shù)右移1 1位的操作，記作位的操作，記作R(ACC)ACC，ACC0ACC0（5 5）循環(huán)左移）循環(huán)左移1 1位指令位指令CSLCSL該指令完成累加器內(nèi)容循環(huán)左移該指令完成累加器內(nèi)容循環(huán)左移1 1位的操作，位的操作，記作記作L(ACC)ACC，ACC0ACCn（6 6）停機(jī)指令）停機(jī)指令STPSTP該指令將運行標(biāo)志觸發(fā)器該指令將運行標(biāo)志觸發(fā)器G G置置0 0，記作，記作 0G0G（4 4）算

7、術(shù)右移）算術(shù)右移1 1位指令位指令SHRSHR（1 1）加法指令）加法指令A(yù)DD XADD X 該指令完成累加器內(nèi)容與主存該指令完成累加器內(nèi)容與主存X X單元的內(nèi)容相單元的內(nèi)容相加，結(jié)果送累加器的操作，操作表達(dá)式加，結(jié)果送累加器的操作，操作表達(dá)式（2 2）減法指令）減法指令SUB XSUB X2 2訪存指令訪存指令 該指令完成累加器內(nèi)容與主存該指令完成累加器內(nèi)容與主存X X單元的內(nèi)容相單元的內(nèi)容相減，結(jié)果送累加器的操作，操作表達(dá)式減，結(jié)果送累加器的操作，操作表達(dá)式（執(zhí)行周期執(zhí)行周期）(ACC)+ (MDR)ACC(ACC)(MDR)ACC（執(zhí)行周期執(zhí)行周期）M(MAR) MDR （存儲器讀周期

8、）（存儲器讀周期）X MAR （形成操作數(shù)有效地址后）（形成操作數(shù)有效地址后）（4 4）取數(shù)指令）取數(shù)指令LDA XLDA X該指令將一主存單元的內(nèi)容取到累加器中，操作表達(dá)式該指令將一主存單元的內(nèi)容取到累加器中，操作表達(dá)式（5 5）存數(shù)指令）存數(shù)指令STA XSTA X該指令將累加器內(nèi)容寫入主存該指令將累加器內(nèi)容寫入主存X X單元中，操作表達(dá)式單元中，操作表達(dá)式(MDR)ACC（執(zhí)行周期）（執(zhí)行周期）(ACC) MDR（3 3）與指令）與指令A(yù)ND XAND X 該指令完成累加器內(nèi)容與一主存單元的內(nèi)容該指令完成累加器內(nèi)容與一主存單元的內(nèi)容相與，結(jié)果送累加器的操作，操作表達(dá)式相與，結(jié)果送累加器的

9、操作，操作表達(dá)式(ACC) (MDR)ACC（執(zhí)行周期執(zhí)行周期）3 3轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令（1 1）無條件轉(zhuǎn)移指令）無條件轉(zhuǎn)移指令JMP XJMP X指令的地址碼部分送指令的地址碼部分送PCPC，操作表達(dá)式，操作表達(dá)式（2 2）條件轉(zhuǎn)移指令）條件轉(zhuǎn)移指令 根據(jù)前面一條指令執(zhí)行的結(jié)果（對標(biāo)志寄存器的影響）根據(jù)前面一條指令執(zhí)行的結(jié)果（對標(biāo)志寄存器的影響）決定是否轉(zhuǎn)移。決定是否轉(zhuǎn)移。Ad (IR)PC進(jìn)位進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令JC XJC X 如果進(jìn)位標(biāo)志如果進(jìn)位標(biāo)志C=1C=1，則指令的地址碼部分送，則指令的地址碼部分送PCPC，否則，否則順序執(zhí)行。操作表達(dá)式順序執(zhí)行。操作表達(dá)式PCPCCIRAdC

10、)()(負(fù)負(fù)轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令JN XJN X如果標(biāo)志如果標(biāo)志N=1N=1，則指令的地址碼部分送，則指令的地址碼部分送PCPC，否則順序，否則順序執(zhí)行。執(zhí)行。操作表達(dá)式操作表達(dá)式PCPCNIRAdN)()(零零轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令JZ XJZ X如果標(biāo)志如果標(biāo)志Z=1Z=1，則指令的地址碼部分送，則指令的地址碼部分送PCPC，否則順序，否則順序執(zhí)行。執(zhí)行。PCPCZIRAdZ)()(操作表達(dá)式操作表達(dá)式4. 4. 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

11、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 指令周期指令周期四、中斷周期四、中斷周期程序斷點存入程序斷點存入 “ “ 0 ” 0 ” 地址地址 程序斷點程序斷點 進(jìn)棧進(jìn)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中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址 M PC( SP ) 1 MAR( (關(guān)中斷）關(guān)中斷

12、）( (關(guān)中斷）關(guān)中斷）MDRCUMARCPU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PC存儲器存儲器SP MAR AB M,PC MDR DB M,入口地址入口地址PC9.2 9.2 控制單元的功能控制單元的功能一、控制單元的外特性一、控制單元的外特性控制單元控制單元 CUCU時鐘時鐘標(biāo)志標(biāo)志CPU 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)總線指令寄存器指令寄存器（中斷請求，（中斷請求，DMADMA請求等）請求等）1. 1. 輸入信號輸入信號(1) (1) 時鐘時鐘(2) (2) 指令寄存器指

13、令寄存器(4) (4) 外來信號外來信號(3) (3) 標(biāo)志標(biāo)志CU CU 受時鐘控制受時鐘控制控制信號控制信號 與操作碼有關(guān)與操作碼有關(guān)OP ( IR ) CUCU CU 受標(biāo)志控制受標(biāo)志控制INTR INTR 中斷請求中斷請求HRQ HRQ 總線請求總線請求每一個時鐘脈沖使控制單元發(fā)一個操作命令每一個時鐘脈沖使控制單元發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令如如2. 2. 輸出信號輸出信號(1) (1) CPU CPU 內(nèi)的各種控制信號內(nèi)的各種控制信號(2) (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

14、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(yīng)信號中斷響應(yīng)信號總線響應(yīng)信號總線響應(yīng)信號MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或PCIRACCU時鐘時鐘ALU MDR M A R控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號取指周期取指周期以以 ADD X ADD X 為例為例1. 1. 不采用不采用 CPU CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式C0C1C2C3C4 M D RPC M A RIRCU二、控制信號舉例二、控制信號舉例PCIRACCU時鐘時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號C1C2C3C5ADD X

15、間址周期間址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU時鐘時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號C1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制信號MDRMDRCU(1) ADD X (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)線控制信號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘地址線地

16、址線地址線地址線MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIR2.2.采用采用CPUCPU內(nèi)部總線方式內(nèi)部總線方式 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MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR (2) ADD X (2) ADD X 間址周期間址周期時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控

17、制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線MDROMDRO 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 MARiALUAC(3) (3) ADD X ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期例例9.19.1 設(shè)設(shè)CPU CPU 內(nèi)部采用非總線結(jié)構(gòu)，如圖內(nèi)部采用非總線結(jié)構(gòu)，如圖 所示。所示。（1 1）寫出取指周期的全部微操作。）寫

18、出取指周期的全部微操作。（2 2）寫出取數(shù)指令）寫出取數(shù)指令“LDA M”LDA M”，存數(shù)指令，存數(shù)指令“STA STA M”M”，加法指令，加法指令“ADD M”ADD M”（M M 均為主存地址）在執(zhí)均為主存地址）在執(zhí)行階段所需的全部微操作。行階段所需的全部微操作。（3 3）當(dāng)上述指令均為間接尋址時，寫出執(zhí)行這些）當(dāng)上述指令均為間接尋址時，寫出執(zhí)行這些指令所需的全部微操作。指令所需的全部微操作。（4 4）寫出無條件轉(zhuǎn)移指令）寫出無條件轉(zhuǎn)移指令“JMP Y”JMP Y”和結(jié)果為零則和結(jié)果為零則轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)指令“BAZ Y”BAZ Y”在執(zhí)行階段所需的全部微操作。在執(zhí)行階段所需的全部微操作。 M

19、 D RPC M A RIRACCU時鐘時鐘ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號圖圖9-2 9-2 一個簡單的數(shù)據(jù)通路一個簡單的數(shù)據(jù)通路C C4 4 對于圖所示的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，對于圖所示的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，CUCU需發(fā)出下面的微操作控制信需發(fā)出下面的微操作控制信號來完成取指令工作。號來完成取指令工作。（1 1）打開）打開PCPC各位與各位與MARMAR各位之間的門各位之間的門C C0 0。（2 2）一個開門信號以允許）一個開門信號以允許MARMAR的內(nèi)容送到地址總線上的內(nèi)容送到地址總線上CC1 1。（3 3）一個存儲器的讀控制信號

20、送到控制總線上）一個存儲器的讀控制信號送到控制總線上-CR-CR。（4 4）一個允許數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容被存入）一個允許數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容被存入MDRMDR的開門信號的開門信號C C2 2。（5 5）對）對PCPC內(nèi)容加內(nèi)容加1 1，并返存，并返存PCPC控制信號控制信號-C-C1010。（6 6）打開）打開MDRMDR和和IRIR之間門的控制信號之間門的控制信號C C3 3。CUCU是是CPUCPU中的最主要的組成部分，后面將討論中的最主要的組成部分，后面將討論CUCU的組成和設(shè)的組成和設(shè)計。計。 取指周期的全部微操作如下：取指周期的全部微操作如下：PCMAR ；現(xiàn)行指令地址MAR1R ；命令存儲

21、器讀M(MAR)MDR ；現(xiàn)行指令從存儲器中讀至MDRMDRIR ；現(xiàn)行指令I(lǐng)ROP(IR)CU ；指令的操作碼CU 譯碼(PC) +1PC ；形成下一條指令的地址取數(shù)指令取數(shù)指令“LDA M”執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：Ad(IR)MAR ；指令的地址碼字段MAR1R ；命令存儲器讀M(MAR)MDR ；操作數(shù)從存儲器中讀至MDRMDRACC ；操作數(shù)ACC存數(shù)指令存數(shù)指令“STA M”執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：Ad(IR)MAR ；指令的地址碼字段MAR1W ；命令存儲器寫ACCMDR ；欲寫入的數(shù)據(jù)MDRMDRM(MAR)

22、 ；數(shù)據(jù)寫至存儲器中加法指令加法指令“ADD M”執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：執(zhí)行階段所需的全部微操作如下：Ad(IR)MAR ；指令的地址碼字段MAR1R ；命令存儲器讀M(MAR)MDR ；操作數(shù)從存儲器中讀至MDR(ACC) + (MDR)ACC ；兩數(shù)相加結(jié)果送ACC當(dāng)為間接尋址時，需增加間址周期的微操作。當(dāng)為間接尋址時，需增加間址周期的微操作。Ad(IR)MAR ；指令的地址碼字段MAR1R ；命令存儲器讀M(MAR)MDR ；有效地址從存儲器中讀至MDR無條件轉(zhuǎn)移指令無條件轉(zhuǎn)移指令“JMP Y”JMP Y”執(zhí)行階段的微操作執(zhí)行階段的微操作如下：如下：Ad(IR)PCAd(IR)P

23、C；轉(zhuǎn)移（目標(biāo)）地址轉(zhuǎn)移（目標(biāo)）地址YPCYPC結(jié)果為零則轉(zhuǎn)移指令結(jié)果為零則轉(zhuǎn)移指令”BAZ Y”BAZ Y”執(zhí)行階段的微執(zhí)行階段的微操作指令如下：操作指令如下： ZAd(IR) PCZAd(IR) PC 當(dāng)當(dāng)Z=1Z=1時，轉(zhuǎn)移（目標(biāo)）地址時，轉(zhuǎn)移（目標(biāo)）地址Y PCY PC(Z(Z為標(biāo)記觸發(fā)器，結(jié)果為為標(biāo)記觸發(fā)器，結(jié)果為0 0時時Z=1)Z=1)例例9.29.2 已知單總線計算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，其中已知單總線計算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示，其中M M 為主存，為主存，XR XR 為變址寄存器，為變址寄存器，EAR EAR 為有效地址寄存器，為有效地址寄存器，LATCH LATCH 為暫為暫存器。圖中各寄

24、存器的輸入和輸出均受控制信號控制，存器。圖中各寄存器的輸入和輸出均受控制信號控制，如如PCi PCi 表示表示PC PC 的輸入控制信號，又如的輸入控制信號，又如MDRo MDRo 表示表示MDR MDR 的的輸出控制信號。輸出控制信號。假設(shè)指令地址已存于假設(shè)指令地址已存于 PC PC 中，畫出中，畫出“ADD XADD X，D”D”（X X 為變址寄存器為變址寄存器XRXR，D D 為形式地址）和為形式地址）和“STA STA * *D”D”（* *表示相對尋址，表示相對尋址，D D 為相對位移量）兩條指令的指令周為相對位移量）兩條指令的指令周期信息流程圖，并列出相應(yīng)的控制信號序列。期信息流

25、程圖，并列出相應(yīng)的控制信號序列。 PCBus MARM(MAR) MDRPC+1 PC 取取指指“ADD X“ADD X，D”D”指令取指周期和執(zhí)行周期的信息流程及相指令取指周期和執(zhí)行周期的信息流程及相應(yīng)的控制信號，如圖所示，圖中應(yīng)的控制信號，如圖所示，圖中Ad(IR)Ad(IR)為形式地址。為形式地址。XRXR0 0,Ad(IR),Ad(IR)0 0,+,EAR,+,EARi iEAREAR0 0,MAR,MARi iMARMAR0 0,R/W=R,MDR,R/W=R,MDRi iMDRMDR0 0,X,Xi iACCACC0 0,X,X0 0,K,Ki i=+,LATCH=+,LATCHi

26、 iLATCHLATCH0 0,ACC,ACCi i ADD X,D ADD X,D 指令執(zhí)行周期指令執(zhí)行周期PC Bus MARM(MAR) MDRPC+1 PC “STA “STA * * D” D”指令取指周期和執(zhí)行周期的信息流程及指令取指周期和執(zhí)行周期的信息流程及相應(yīng)的控制信號如圖所示，圖中相應(yīng)的控制信號如圖所示，圖中Ad(IR)Ad(IR)為相對位移量為相對位移量的機(jī)器代碼。的機(jī)器代碼。 取取指指STASTA指令就是把指令就是把A A寄存器的內(nèi)容寫入指定的內(nèi)存單元寄存器的內(nèi)容寫入指定的內(nèi)存單元 PCPC0 0,Ad(IR),Ad(IR)0 0,+,EAR,+,EARi iEAREAR

27、0 0,MAR,MARi iACCACC0 0,MDR,MDRi iMDRMDR0 0,MAR,MAR0 0,R/W,R/WW WSTA *D指令執(zhí)行周期指令執(zhí)行周期三、多級時序系統(tǒng)三、多級時序系統(tǒng)1. 1. 機(jī)器周期機(jī)器周期(1) (1) 機(jī)器周期的概念機(jī)器周期的概念(2) (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) (3) 基準(zhǔn)時間的確定基準(zhǔn)時間的確定所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)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(fù)雜最復(fù)雜 指令功能的時間指令功能的時間 為準(zhǔn)為準(zhǔn) 以以 訪問

28、一次存儲器訪問一次存儲器 的時間的時間 為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)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(jī)器周期機(jī)器周期2. 2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個微操作一個機(jī)器周期內(nèi)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(jī)操作的最小單位時間時鐘周期是控制計算機(jī)操作的最小單位時間將一個機(jī)器周期分成若干個時間相等的將一個機(jī)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節(jié)拍脈沖時序產(chǎn)

29、生器節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖時鐘脈沖時鐘脈沖CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 3. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)一個指令周期包含若干個機(jī)器周期一個指令周期包含若干個機(jī)器周期一個機(jī)器周期包含若干個時鐘周期一個機(jī)器周期包含若干個時鐘周期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

30、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))4. 4. 機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器的機(jī)器的 主頻主頻 f f 越快越快 機(jī)器的機(jī)器的 速度也越快速度也越快在機(jī)器周期所含時鐘周期數(shù)在機(jī)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(jī)兩機(jī) 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(jī)主頻之兩機(jī)主頻之比比機(jī)器速度機(jī)器速度 不僅與不僅與 主頻有關(guān)主頻有關(guān) ，還與機(jī)器周期中所含，還與機(jī)器周期中所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) 以及指令周期中所含以及

31、指令周期中所含的的 機(jī)器周期數(shù)有關(guān)機(jī)器周期數(shù)有關(guān)MIPS1MIPS2=f1f2例例9.39.3 設(shè)某機(jī)主頻為設(shè)某機(jī)主頻為8MHz8MHz，每個機(jī)器周期平均含，每個機(jī)器周期平均含2 2 個個時鐘周期，每條指令的指令周期平均有時鐘周期，每條指令的指令周期平均有2.5 2.5 個機(jī)器周個機(jī)器周期，試問該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少期，試問該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPSMIPS？若機(jī)？若機(jī)器主頻不變，但每個機(jī)器周期平均含器主頻不變，但每個機(jī)器周期平均含4 4 個時鐘周期，個時鐘周期，每條指令的指令周期平均有每條指令的指令周期平均有5 5 個機(jī)器周期，則該機(jī)的個機(jī)器周期，則該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度又是

32、多少平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPSMIPS？由此可得出什么結(jié)？由此可得出什么結(jié)論？論？解：根據(jù)主頻為解：根據(jù)主頻為8MHz 8MHz ，得，得時鐘周期為時鐘周期為1/8 = 0.125s1/8 = 0.125s，機(jī)器周期為機(jī)器周期為0.1250.1252 = 0.25s2 = 0.25s，指令周期為指令周期為0.250.252.5 = 0.625s2.5 = 0.625s。（1 1）平均指令執(zhí)行速度為）平均指令執(zhí)行速度為1/0.625 = 1.6MIPS1/0.625 = 1.6MIPS。（2 2）若機(jī)器主頻不變，機(jī)器周期含）若機(jī)器主頻不變，機(jī)器周期含4 4 個時鐘周期，每個時鐘周期，每條指

33、令平均含條指令平均含5 5 個機(jī)器周期，則指令周期為個機(jī)器周期，則指令周期為0.1250.1254 45 = 2.5s5 = 2.5s ，故平均指令執(zhí)行速度為，故平均指令執(zhí)行速度為1/2.5 = 0.4MIPS1/2.5 = 0.4MIPS。（3 3）可見機(jī)器的速度并不完全取決于主頻。）可見機(jī)器的速度并不完全取決于主頻。四、控制方式四、控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式1. 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)時標(biāo)統(tǒng)一基準(zhǔn)時標(biāo) 的時序信號控制的時序信號控制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

34、（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) (1) 采用采用 定長定長 的機(jī)器周期的機(jī)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(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期內(nèi)機(jī)器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)相同節(jié)拍數(shù)相同(2) (2) 采用不定長的機(jī)器周期采用不定長的機(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

35、）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長機(jī)器周期內(nèi)機(jī)器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)不等節(jié)拍數(shù)不等(3) (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(jī)器周期機(jī)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2. 2. 異步控制方式異步控制方式無基準(zhǔn)時標(biāo)信號無基準(zhǔn)時標(biāo)信號無固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時鐘同步采用采用

36、應(yīng)答方式應(yīng)答方式3. 3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式4. 4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset(2) (2) 連續(xù)連續(xù) 和和 單條單條 指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)(3) (3) 符合停機(jī)開關(guān)符合停機(jī)開關(guān)同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合五、多級時序系統(tǒng)實例分析五、多級時序系統(tǒng)實例分析1. 8085 1. 8085 的組成的組成A15A8中斷控制中斷控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8） D（8）C（8） B（8） 指令譯碼指令譯碼 和和 機(jī)器周期機(jī)器周期 編碼編碼ALU定時和控制定時和控制 時鐘時鐘控制控制狀態(tài)狀態(tài)