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(gè)工作周期個(gè)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(chǔ)器存儲(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地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)

2、據(jù)總線控制總線控制總線IR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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) 加法指令加法指令(3) 取數(shù)

3、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(wú)條件轉(zhuǎn)無(wú)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 指令周期指令周期四、中

4、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( 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 PC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(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

5、入信號(hào)輸入信號(hào)(1) 時(shí)鐘時(shí)鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來(lái)信號(hào)外來(lái)信號(hào)(3) 標(biāo)志標(biāo)志CU 受時(shí)鐘控制受時(shí)鐘控制控制信號(hào)控制信號(hào) 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(qǐng)求中斷請(qǐng)求HRQ 總線請(qǐng)求總線請(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)輸出信號(hào)(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號(hào)內(nèi)的各種控制信號(hào)(2) 送至控制總線的信號(hào)送至控制總線的信號(hào)Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號(hào)訪存控制信號(hào)訪訪 IO/ 存儲(chǔ)器的控制信號(hào)存儲(chǔ)器的

6、控制信號(hào)讀命令讀命令寫(xiě)命令寫(xiě)命令中斷響應(yīng)信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)總線響應(yīng)信號(hào)總線響應(yīng)信號(hào)MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例PCIRACCU時(shí)鐘時(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)C1C2C

7、3C5ADD X 間址周期間址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU時(shí)鐘時(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)MDRMDRCU(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)IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROM

8、DRO 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CUIRPCMARMDRACYALUZ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

9、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MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi 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

10、(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

11、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)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)

12、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)

13、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）T0T1T

14、2T3T0T1T2T3TT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2. 異步控制方式異步控制方式無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)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

15、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(kāi)關(guān)指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3) 符合停機(jī)開(kāi)關(guān)符合停機(jī)開(kāi)關(guān)同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合五、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)實(shí)例分析五、多級(jí)時(shí)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(shí)和控制定時(shí)和控制 時(shí)鐘時(shí)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INTAINTRSI

16、DSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAResetAD7AD02. 8085 的外部引腳的外部引腳(1) 地址和數(shù)據(jù)信號(hào)地址和數(shù)據(jù)信號(hào)(2) 定時(shí)和控制信號(hào)定時(shí)和控制信號(hào)(3) 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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 outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST

17、5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 與中斷有關(guān)的信號(hào)與中斷有關(guān)的信號(hào)(5) CPU 初始化初始化(6) 電源和地電源和地出出 INTATrap 重新啟動(dòng)中斷重新啟動(dòng)中斷入入 INTR入入 Reset in出出 Reset outVcc +5VVss 地地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A83. 機(jī)器周期和節(jié)拍（狀態(tài)）與控制信號(hào)的關(guān)系機(jī)器周期和節(jié)拍（狀態(tài)）與控制信號(hào)的關(guān)系T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1