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控制单元的功能
微操作命令分析
完成一条指令分四个周期取指周期、间址周期、执行周期、中端周期
取指周期
指令地址计算CPU 根据程序计数器 PC 中的值计算下一条指令的地址。程序计数器存储着当前正在执行的指令的地址或者下一条要执行的指令的地址访问内存CPU根据计算得到的指令地址向主存发送请求读取下一条指令所在的内存单元指令译码CPU对从内存中读取的指令进行译码确定指令的操作类型、操作数等信息指令存储将从内存中读取的指令存储到指令寄存器 IR 中供接下来的执行阶段使用 间址周期
在间接寻址中指令不直接提供操作数的地址而是提供一个指向操作数地址的指针IR 分析出的是操作数的地址 执行周期
非访存指令
清除累加器指令 CLA 0 A累加器取反指令 COM算术右移一位指令 SHRL(ACC) R(ACC)循环左移一位指令 CSLR(ACC) L(ACC)停机指令STP0 G
访存指令
加法指令 ADD X 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器Ad(IR)→MAR向主存发读命令启动主存作读操作1→R将MAR(通过地址总线)所指的主存单元中的内容操作数经数据总线读至MDR内M(MAR)→MDR给ALU发送加命令将ACC的内容和MDR的内容相加结果存于ACC(ACC)(MDR)ACC) 存数指令 STA X 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器Ad(IR)→MAR向主存发写命令启动主存作写操作1→W将累加器内容送至MDRACC-→MDR将MDR的内容通过数据总线写入到MAR(通过地址总线)所指的主存单元中MDRM(MAR) 取数指令 LDA X 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器Ad(IR)→MAR向主存发读命令启动主存作读操作1→R将MAR(通过地址总线)所指的主存单元中的内容操作数经数据总线读至MDR内M(MAR)MDR将MDR的内容送至ACCMDRACC
转移类指令
无条件转移指令 JMP X条件转移指令 BAN X负则转
三类指令的指令周期 中断周期 保存断点 程序断点存入 “0” 地址 将特定地址 “0”送至存储器地址寄存器0→MAR向主存发写命令启动存储器作写操作 1→W将PC的内容程序断点送至 MDRPC→MDR将MDR的内容程序断点通过数据总线写入到MAR(通过地址总线)所指示的主存单元( “0”地址单元)中MDR→M(MAR)将向量地址形成部件的输出送至PC为下一条指令的取指周期作推备向量地址→PC关中断将允许中断触发器清零0→ET 程序断点进栈 如果程序断点存入堆栈而且进栈操作是先修改栈指针后存入数据只需将上述第一个改为 (SP)-1→MAR
控制单元的功能
控制单元的外特性 输入信号 时钟 CU 受时钟控制 一个时钟脉冲会发送一个操作命令或者一组需同时执行的操作命令 指令寄存器 OP(IR) - CU 控制信号与操作码有关现行指令的操作码决定了不同指令在执行周期所需完成的不同操作 标志 控制单元有时需依赖CPU当前所处的状态如ALU操作的结果产生控制信号 外来信号如 INTR 中断请求 HRQ 总线请求
输出信号
CPU 内的各种控制信号PC 1 - PC送至控制总线的信号访存控制信号、读写命令等
控制信号举例
不采用CPU内部总线的方式 取指周期
控制信号C0 有效打开PC送往MAR的控制门控制信号C1有效打开MAR送往地址总线的输出门通过控制总线向主存发读命令C2有效打开数据总线送至MDR的输入门C3有效打开MDR和IR之间的控制门至此指令送至IRC4有效打开指令操作码送至CU的输出门。CU在操作码和时钟的控制下可产生各种控制信号使PC内容加1 间址周期
C5有效打开MDR和MAR之间的控制门将指令的形式地址送至MARC1有效打开MAR送往地址总线的输出门通过控制总线向主存发读命令C2有效打开数据总线送至MDR的输入门至此有效地址存入MDRC3有效打开MDR和IR之间的控制门将有效地址送至IR的地址码字段 执行周期
C5有效打开MDR和MAR之间的控制门将有效地址送至MARC1有效打开MAR送往地址总线的输出门通过控制总线向主存发读命令C2有效打开数据总线送至MDR的输入门至此操作数存入MDRC6、C7同时有效打开AC和MDR通往ALU的控制门通过CPU内部控制总线对ALU发ADD加控制信号完成AC的内容和MDR的内容相加C8有效打开ALU通往AC的控制门至此将求和结果存入AC 采用CPU内部总线的方式
采用CPU内部总线方式的数据通路和控制信号的关系图中每一个小圈处都有一个控制信号它控制寄存器到总线或总线到寄存器之间的传送 取指周期
PC0和MAR有效完成PC经内部总线送至MAR的操作即PC → MAR通过控制总线向主存发读命令即1 → R存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容指令送至MDRMDR0和IRi有效将MDR的内容送至IR,即MDR→IR,至此指令送至IR,其操作码字段开始控制CU使PC内容加1 间址周期
MDR0和MARi有效将指令的形式地址经内部总线送至MAR,即MDR → MAR通过控制总线向主存发读命令即1 → R存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容有效地址送至MDRMDR0和IRi有效将MDR中的有效地址送至IR的地址码字段即MDR → Ad(IR) 执行周期
MDR0和MARi有效将有效地址经内部总线送至MAR,即MDR → MAR通过控制总线向主存发读命令即1 → R存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容操作数送至MDRMDR0和Yi有效将操作数送至Y,即MDR → YAC0和ALUi有效同时CU向ALU发ADD加控制信号使AC的内容和Y的内容相加(Y的内容送至ALU不必通过总线)结果送寄存器Z即AC)Y) → ZZ0和ACi有效将运算结果存入AC,即Z → AC 多级时序系统
机器周期
概念所有指令执行过程中的一个基准时间
确认机器周期需要考虑的因素每条指令的执行步骤以及每一步骤所需的时间
基准时间的确定若指令字长 存储字长 取指周期 机器周期
以完成最复杂指令功能的时间为准以访问一次存储器的时间为基准
时钟周期
一个机器周期内可完成若干个微操作将一个机器周期分成若干个时间相等的时间端分别是节拍、状态、时钟周期
时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间用时钟周期产生一个或几个微操作指令
图中时钟周期、机器周期以及一个机器周期内有4个节拍T0、T1、T2、T3 多级时序系统
机器周期、节拍状态组成多级时序系统
一个指令周期包含若干机器周期一个机器周期包含若个时钟周期 机器速度和机器主频的关系
机器速度不仅与主频有关还与机器周期中所含时钟周期主频的倒数数以及指令周期所含的机器周期数有关
控制方式 同步控制方式任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制 采用定长的机器周期以最长的微操作序列和最复杂的微操作作为标准 采用不定长的机器周期机器周期内的节拍数不等 解决微操作执行时间不统一的问题。通常把大多数微操作安排在一个较短的机器周期内完成而对某些复杂的微操作采用延长机器周期或增加节拍的办法来解决 采用中央控制和局部控制相结合的方法种将机器的大部分指令安排在统一的、较短的机器周期内完成称为中央控制而将 少数操作复杂的指令中的某些操作如乘除法和浮点运算等采用局部控制方式来完成 异步控制方式无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用应答方式 联合控制方式同步和异步结合 人工控制方式为了调机和软件开发的需要在机器面板或内部设置一些开关或按键来达到人机控制的目的
