計(jì)算機(jī)組成原理唐朔飛PPT 第9章 控制單元的功能.

1、9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制單元的功能控制單元的功能完成一條指令分完成一條指令分 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一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址線地址線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二、間址周期二、間址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線

2、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) SHR 算術(shù)右移算術(shù)右移(5) STP 停機(jī)指令停機(jī)指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪存指令訪存指令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

3、法指令(3) 取數(shù)指令取數(shù)指令A(yù)d ( 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 ) 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

4、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(diǎn)存入程序斷點(diǎn)存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點(diǎn)程序斷點(diǎn) 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(biāo)志標(biāo)志CPU 內(nèi)部的控制信號內(nèi)部的控制信號到系統(tǒng)總

5、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1. 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(biāo)志標(biāo)志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 受標(biāo)志控制受標(biāo)志控制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2. 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

6、(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(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(biāo)志標(biāo)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 RPCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號 M D

7、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C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期IR M D R M D R M A RPCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)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 RMDRMDRCU(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） （P

8、C）+ 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MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(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 MAR

9、i地址線地址線地址線地址線MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU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 ACiACiACA

10、CACACMARi MARiALUACCU三、多級時序系統(tǒng)三、多級時序系統(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. 時鐘周期時鐘周期

11、（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(jì)算機(jī)操作的最小單位時間時鐘周期是控制計(jì)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CLKT0T1T2T3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(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)

12、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. 機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器速度

13、與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器的機(jī)器的 主頻主頻 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)主頻之比兩機(jī)主頻之比機(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此外，此外，機(jī)器速度機(jī)器速度還與其它很多因素有關(guān)，比如：還與其它很多因素有關(guān)，比如：主存的運(yùn)行速度、機(jī)器是

14、否配有主存的運(yùn)行速度、機(jī)器是否配有Cache、總線的數(shù)據(jù)、總線的數(shù)據(jù)傳輸率、硬盤的運(yùn)行速度、機(jī)器是否采用流水技術(shù)等。傳輸率、硬盤的運(yùn)行速度、機(jī)器是否采用流水技術(shù)等。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. 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（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

15、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) 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）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) 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T0T1T2T3

16、T0T1T2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. 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 應(yīng)答方式應(yīng)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(1) Reset(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) 符合停機(jī)開關(guān)符合停機(jī)開關(guān)同

17、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(shí)例分析五、多級時序系統(tǒng)實(shí)例分析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) DMA復(fù)位復(fù)位ABR(8)ADBR(8)8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02. 8085 的外部引腳的外部引腳(

18、1) 地址和數(shù)據(jù)信號地址和數(shù)據(jù)信號(2) 定時和控制信號定時和控制信號(3) 存儲器和存儲器和 I/O 初始化初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入入 X1 X2入入 HOLD Ready出出 HLDA出出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 與中斷有關(guān)的信號與中斷有關(guān)的信號(5) CPU 初始化初始化(6) 電源和地電源和地出出 INTATrap 重新啟動中斷重新啟動中斷入入 INTR入入 Reset i