淺談控制單元功能

淺談控制單元功能內(nèi)容摘要本文介紹了計算機組成的控制單元的功能內(nèi)容當中的微操作指令和具體的功能實現(xiàn)講解。其中微操作指令，包括加法指令、存數(shù)取數(shù)指令。為進一步分析微操作，將其分為四個階段，四個階段包括取址周期、間址周期、執(zhí)行周期以及中斷周期。另外功能主要包括其外特征、信號舉例、多級時許系統(tǒng)、控制方式以及多級時序系統(tǒng)實例分析。一、控制單元功能綜述控制單元的英文翻譯為controlunit〔cu〕是CPU部件之一，本次學習的《計算機組成原理》一書著重分析控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令——這些命令〔又稱控制信號〕控制計算機的所有部件有次序地完成相應的操作，以到達執(zhí)行程序的目的，控制單元負責程序的流程管理。正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令存放器IR、指令譯碼器ID和操作控制器0C三個部件組成，整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令存放器IR中，通過指令譯碼確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。其功能主要包括外特征、信號舉例、多級時許系統(tǒng)、控制方式以及多級時序系統(tǒng)實例分析?？刂茊卧膬?nèi)容和根本原理微操作命令的分析控制單元具有發(fā)出各種微操作命令序列的功能。概括地說，計算機的功能就是執(zhí)行程序。在執(zhí)行程序的過程中，控制單元要發(fā)出各種微操作命令，而且不同的指令對應不同的命令。進一步分析發(fā)現(xiàn)完成不同指令的過程中有些操作是相同或相似的如取指令、取操作數(shù)地址當間接尋址時以及進入中斷周期由中斷隱指令完成的一系列操作。為更清晰起見下面按指令周期的四個階段進一步分析其對應的微操作命令。四個階段包括取址周期、間址周期、執(zhí)行周期以及中斷周期。訪存指令這類指令在執(zhí)行階段都需訪問存儲器。為簡單起見這里只考慮直接尋址的情況不考慮其他尋址方式。1加法指令ADDX。該指令在執(zhí)行階段需完成累加器內(nèi)容與對應于主存X地址單元的內(nèi)容相加結(jié)果送累加器的操作。2存數(shù)指令STAX。該指令在執(zhí)行階段需將累加器ACC的內(nèi)容存于主存的X地址單元中。3取數(shù)指令LDAX。該指令在執(zhí)行階段需將主存X地址單元的內(nèi)容取至累加器ACC中控制單元功能細化①、控制單元的外特性包括：1輸入信號〔它也包含時鐘、指令存放器、標志以及來自控制總線的控制信號如中斷請求、DMA請求?！?輸出信號〔它又包括CPU內(nèi)的控制信號和送至控制總線的信號〕②、控制信號舉例控制單元的主要功能就是能發(fā)出各種不同的控制信號。一種是不采用CPU內(nèi)部總線的方式，它包括：取指周期、間址周期。、執(zhí)行周期。另外一種是采用CPU內(nèi)部總線的方式。它也包含1取指周期、間址周期和執(zhí)行周期。③、多級時序系統(tǒng)1機器周期的介紹機器周期可看作是所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間機器周期取決于指令的功能及器件的速度。確定機器周期時通常要分析機器指令的執(zhí)行步驟及每一步驟所需的時間。總之通過對機器指令執(zhí)行步驟的分析會找到一個基準時間在這個基準時間內(nèi)所有指令的操作都能結(jié)束。假設(shè)以這個基準時間定為機器周期顯然不是最合理的。2時鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)介紹在一個機器周期里可完成假設(shè)干個微操作每個微操作都需一定的時間可用時鐘信號來控制產(chǎn)生每一個微操作命令。這樣一個機器周期內(nèi)就包含了假設(shè)干個時鐘周期又稱節(jié)拍或狀態(tài)。3多級時序系統(tǒng)介紹一個指令周期包含假設(shè)干個機器周期一個機器周期又包含假設(shè)干個時鐘周期節(jié)拍每個指令周期內(nèi)的機器周期數(shù)可以不等每個機器周期內(nèi)的節(jié)拍數(shù)也可以不等。④、控制方式控制單元控制一條指令執(zhí)行的過程實質(zhì)上是依次執(zhí)行一個確定的微操作序列的過程。常見的控制方式有同步控制、異步控制、聯(lián)合控制和人工控制四種。⑤、多級時序系統(tǒng)實例分析從指令的執(zhí)行過程來看，實現(xiàn)時序控制所需的時序信號，主要包含節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，它們組成了中央處理器的時序系統(tǒng)。實際應用上圖示意了采用CPU內(nèi)部總線方式的數(shù)據(jù)通路和控制信號的關(guān)系圖中每一個小圈處都有一個控制信號它控制存放器到總線或總線到存放器之間的傳送。如IRi表示控制從內(nèi)部總線到指令存放器的輸入控制門PC0表示控制從程序計數(shù)器到內(nèi)部總線的輸出控制門。下標為i表示輸入控制下標為o表示輸出控制、以此類推。圖中多了兩個存放器Y和Z這是由于ALU是一個組合邏輯電路在其運算過程中必須保持兩個輸入端不變其中一個輸入可以從Y存放器中獲得另一個輸入可以從內(nèi)部總線上獲得。當CPU內(nèi)有多個通用存放器時由于設(shè)置了存放器Y可實現(xiàn)任意兩個存放器之間的算邏運算。此外ALU的輸出不能直接與內(nèi)部總線相連因為其輸出又會通過總線反應到ALU的輸入影響運算的正確性故用存放器Z暫存運算結(jié)果再根據(jù)需要送至指定的目標。下面仍以完成間接尋址的加法指令ADDX為例分析控制單元發(fā)出的控制信號。1取指周期。①PC0和MARi有效完成PC經(jīng)內(nèi)部總線送至MAR的操作即PC→MAR②通過控制總線圖中未畫出向主存發(fā)讀命令即1→R③存儲器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容指令送至MDR④MDR0和IRi有效將MDR的內(nèi)容送至IR即MDR→IR至此指令送至IR其操作碼字段開始控制CU⑤使PC內(nèi)容加1圖中未標出。2間址周期。①MDR0和MARi有效將指令的形式地址經(jīng)內(nèi)部總線送至MAR即MDR→MAR②通過控制總線向主存發(fā)讀命令即1→R③存儲器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容有效地址送至MDR④MDR0和IRi有效將MDR中的有效地址送至IR的地址碼字段即MDR→AdIR。3執(zhí)行周期。①MDR0和MARi有效將有效地址經(jīng)內(nèi)部總線送至MAR即MDR→MAR②通過控制總線向主存發(fā)讀命令即1→R2③存儲器通過數(shù)據(jù)總線將MAR所指單元的內(nèi)容操作數(shù)送至MDR④MDR0和Yi有效將操作數(shù)送至Y即MDR→Y⑤AC0和ALUi有效同時CU向ALU發(fā)“ADD”加控制信號使AC的內(nèi)容和Y的內(nèi)容相加結(jié)果送存放器Z即ACY→Z⑥Z0和ACi有效將運算結(jié)果存入AC即Z→AC。現(xiàn)代計算機的CPU都集成在一個硅片內(nèi)在芯片內(nèi)采用內(nèi)部總線的方式可大大節(jié)省芯片內(nèi)部存放器之間的連線使芯片內(nèi)各部件布局更合理。心得體會這門課對于對于我們大二來說是一門比擬難學的課程，而且張老師也是一個很負責人的老師，這讓我們學習起來相比照擬輕松。該課程的學習無疑對我們后續(xù)的開展有積極的意義。改課程在專業(yè)課程內(nèi)起著承上啟下的作用。通過這一學期來老師細致全面的講授我現(xiàn)在對它也有了一個系統(tǒng)的理解。對于計算機的根本結(jié)構(gòu)根本組成與結(jié)構(gòu)原理各功能部件在整機中的作用以及所要完成的任務程序和數(shù)據(jù)在計算機中是如何存儲的以及指令在計算機中的執(zhí)行過程計算機與外部設(shè)備之間的接口技術(shù)與原理和計算機外部設(shè)備的根本結(jié)構(gòu)與工作原理等。還有一個很深的體會就是作業(yè)量很多，這個不是什么壞事，作業(yè)做多了，能及時穩(wěn)固書本上的知識，也能給我們一段時間去消化剛學的知識。另外就是感覺考試的時候有點心有余而力缺乏，不知道是自己平時學的知識面不符合考試范圍，還是考試緊張，只要考試，那些題目都是似是而非，模棱兩可的。這個方面還要加強學習哈。結(jié)語通過對《計算機組成原理》知識的總結(jié)回憶和實際應用，我深刻了解到《計算機組成原理》的重要姓，加深了對計算機知識的認識和了解，，了解到了計算機根底在各方面知識以及本身知識提升過程中的重要性。另一方，通過本次總結(jié)，我還認識到了很多以前沒注意到的細節(jié)問題，比方總結(jié)下以前做的作業(yè)的類型，很多都是簡單題，還有就是試卷的類型，都是簡單的，沒有選擇題。上課老師提問問題都是很有針對性的！我相信這次的論文總結(jié)會對我以后的學習和工作