計算機組成原理第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 算術右移(5) STP 停機指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪存指令Ad(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Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR

3、 ACC 3. 轉移指令(1) 無條件轉(2) 條件轉移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負則轉）（負則轉）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移轉移 指令周期指令周期四、中斷周期程序斷點存入 “ 0 ” 地址程序斷點 進棧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中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址 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時鐘時鐘標志標志CPU 內部的控制信號內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1. 輸入信號(1) 時鐘(2) 指令寄存器(4) 外來信號(3) 標志CU 受時鐘控制控制信號 與操作碼有關OP ( IR ) CUCU 受標志控制INTR 中

5、斷請求HRQ 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(1) CPU 內的各種控制信號(2) 送至控制總線的信號Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號訪 IO/ 存儲器的控制信號讀命令寫命令中斷響應信號總線響應信號MREQIO/MRDWRALU 、與、或二、控制信號舉例二、控制信號舉例PCIRACCU時鐘ALU M D R M A R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 M D RPC M A RIRCU1. 不采用

6、不采用 CPU 內部總線的方式內部總線的方式二、控制信號舉例二、控制信號舉例1. 不采用不采用 CPU 內部總線的方式內部總線的方式PCIRACCU時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號二、控制信號舉例二、控制信號舉例1. 不采用不采用 CPU 內部總線的方式內部總線的方式C1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制控制信號信號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 內內 部部 總總 線線時鐘時鐘2. 采用采用 CPU 內部總線方式內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)線時鐘時鐘CUIRPCMARMD

8、RACYALUZ控制信號控制信號控制信號控制信號CPU 內內 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 時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號CPU 內內 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MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROY

9、iYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC三、多級時序系統(tǒng)三、多級時序系統(tǒng)1. 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

10、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2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機器周期內可完成若干個微操作一個機器周期內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用時鐘周期控制產生一個或幾個微操作命令用時鐘周期控制產生一個或幾個微操作命令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）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)） 機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級

11、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)）組成多級時序系統(tǒng)一個指令周期含若干個機器周期一個指令周期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))四、控制方式四、控制方

12、式產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式產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)一基準時標統(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 完全統(tǒng)一完全統(tǒng)一 的機器周期和節(jié)拍的機器周期和節(jié)拍以以 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(2) 采用不同節(jié)拍的機器周期采用不同節(jié)拍的機器周期

13、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))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(3) 采用中央控制和局部控制相結合的方法采用中央控制和局部控制相結合的方法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2. 異步控制方式異步控制方式無基準時標信號無基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