计算机组成原理第09章.

1、9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制单元的功能控制单元的功能l教学目标：教学目标：旨在使学生进一步理解指令周期、旨在使学生进一步理解指令周期、机器周期、时钟周期（节拍）和控制信号的机器周期、时钟周期（节拍）和控制信号的关系；进一步体会关系；进一步体会CU在机器运行中所起到的在机器运行中所起到的核心作用。核心作用。 l重点：重点：不同指令不同指令CU应发出哪些不同的操作命应发出哪些不同的操作命令；令；CU在取指、间指和中断周期中，发出哪在取指、间指和中断周期中，发出哪些相同的操作命令；多级时序系统的作用；些相同的操作命令；多级时序系统的作用；CU控制方式。控制方式。l难点：难点：指令

2、周期、机器周期、时钟周期与操指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系；中央控制和局部控制相结合作命令的关系；中央控制和局部控制相结合的同步控制方式；总线结构和非总线结构控的同步控制方式；总线结构和非总线结构控制信号的特点。制信号的特点。完成一条指令分完成一条指令分 4 个工作周期个工作周期取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存储器存储器CPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线二、间址周期二、间址周

3、期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线IR存储器存储器三、执行周期三、执行周期1. 非访存指令非访存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循环左移循环左移(3) SHR 算术右移算术右移(5) STP 停机指令停机指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 访存指令访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC

4、) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存数指令存数指令(1) 加法指令加法指令(3) 取数指令取数指令Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 转移指令转移指令(1) 无条件转无条件转(2) 条件转移条件转移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）（负则转）4. 三类指令的指令周期三类指令的指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取

5、指周期间址周期间址周期执行周期执行周期非访存非访存 指令周期指令周期直接访存直接访存 指令周期指令周期间接访存间接访存 指令周期指令周期转移转移 指令周期指令周期四、中断周期四、中断周期程序断点存入程序断点存入 “ 0 ” 地址地址程序断点程序断点 进栈进栈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中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC一、控制单元的外特性一、控制单元的外特性指令寄存器指令寄存器控制单元控制单

6、元 CU时钟时钟标志标志CPU 内部的控制信号内部的控制信号到系统总线的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线系统总线1. 输入信号输入信号(1) 时钟时钟(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外来信号外来信号(3) 标志标志CU 受时钟控制受时钟控制控制信号控制信号 与操作码有关与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志控制受标志控制INTR 中断请求中断请求HRQ 总线请求总线请求一个时钟脉冲一个时钟脉冲 发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令如如2. 输出信号输出信号(1) CPU 内的各种控制信号内

7、的各种控制信号(2) 送至控制总线的信号送至控制总线的信号Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA访存控制信号访存控制信号访访 IO/ 存储器的控制信号存储器的控制信号读命令读命令写命令写命令中断响应信号中断响应信号总线响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU 、与、或、与、或二、控制信号举例二、控制信号举例PCIRACCU时钟时钟ALU M D R M A R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 为例为例 M D RPC M A RIRCU1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式二、控制信号举例二、控制

8、信号举例1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式PCIRACCU时钟时钟ALU M D R M A R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号C1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU时钟时钟ALU M D R M A R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号二、控制信号举例二、控制信号举例1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式C1C2C5ADD X 执行周期执行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制控制信号信号MDRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC C

9、U 发读命令发读命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信号控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线数据线数据线控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟2. 采用采用 CPU 内部总线方式内部总线方式地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIR(2) ADD X 间址周期间址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 数据线数据线数据线数据线时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号控制信号控制信号CPU 内内

10、 部部 总总 线线MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR 时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDROMDRO(3) ADD X 执行周期执行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信号控制信号MARMDR地址线地址线 地址线地址线 数据线数据线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUAL

11、UACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC三、多级时序系统三、多级时序系统1. 机器周期机器周期(1) 机器周期的概念机器周期的概念(2) 确定机器周期需考虑的因素确定机器周期需考虑的因素(3) 基准时间的确定基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行每条指令的执行 步骤步骤每一步骤每一步骤 所需的所需的 时间时间 以完成以完成 最复杂最复杂 指令功能的时间指令功能的时间 为准为准 以以 访问一次存储器访问一次存储器 的时间的时间 为基准为基准若指令字长若指令字长 = 存储字长存储字长取指周期取指周期 = 机

12、器周期机器周期2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 一个机器周期内可完成若干个微操作一个机器周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间每个微操作需一定的时间用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令将一个机器周期分成若干个时间相等的将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（时间段（节拍、状态、时钟周期节拍、状态、时钟周期）CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多级时序系统多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统机

13、器周期、节拍（状态）组成多级时序系统一个指令周期含若干个机器周期一个指令周期含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期一个机器周期包含若干个时钟周期CLK机器周期机器周期 机器周期机器周期 机器周期机器周期 （取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （执行指令）（执行指令） 指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态) 节拍节拍(状态状态)四、控制方式四、控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式产生不同微操作命令

14、序列所用的时序控制方式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 统一基准时标统一基准时标 的时序信号控制的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 完全统一完全统一 的机器周期和节拍的机器周期和节拍以以 最长最长 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作为的微操作作为 标准标准(2) 采用不同节拍的机器周期采用不同节拍的机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指

15、令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态)机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延长(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍中央控制节拍T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍 T3T0T1中央控制节拍中央控制节拍机器周期机器周期执行周期执行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致中央控制的节拍宽度一致2. 异步控制方式异步控制方式无

16、基准时标信号无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用采用 应答方式应答方式3. 联合控制方式联合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset(2) 连续连续 和和 单条单条 指令执行转换开关指令执行转换开关(3) 符合停机开关符合停机开关同步与异步相结合同步与异步相结合五、多级时序系统实例分析五、多级时序系统实例分析1. 8085 的组成的组成A15A8中断控制中断控制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） 指令译码指令译码 和和 机器周期机器周期

17、 编码编码ALU定时和控制定时和控制 时钟时钟控制控制状态状态 DMA复位复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线位内部数据总线I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAResetAD7AD02. 8085 的外部引脚的外部引脚(1) 地址和数据信号地址和数据信号(2) 定时和控制信号定时和控制信号(3) 存储器和存储器和 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 WR1234567891011121314151617

18、1819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 与中断有关的信号与中断有关的信号(5) CPU 初始化初始化(6) 电源和地电源和地出出 INTATrap 重新启动中断重新启动中断入入 INTR入入 Reset in出出 Reset outVcc +5VVs

19、s 地地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A83. 机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PC outPC+1 In

20、s IRXPC outPC+1By ZZ outAPort IO PORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M小结小结每个每个 控制控制 信号信号在在 指定机器周期指定机器周期 的的指定节拍指定节拍 T 时刻时刻 发出发出机器周期机器周期 M1 取指令操作码取指令操作码机器周期机器周期 M2 取设备地址取设备地址机器周期机器周期 M3 执行执行 ACC 的内容写入设备的内容写入设备以一条输出指令（以一条输出指令（IO 写写）为例）为例l9.1设设CPU内有这些部件：内有这些部件：PC、IR、MAR、MDR、AC

21、、CU。（1）写出取指周期的全部微操作。）写出取指周期的全部微操作。（2）写出减法指令）写出减法指令“SUB X”、取数指令、取数指令“LDA X”、存数指令、存数指令“STA X”（X均为主存地址）在均为主存地址）在执行阶段所需的全部微操作。执行阶段所需的全部微操作。（3）当上述指令为间接寻址时，写出执行这些）当上述指令为间接寻址时，写出执行这些指令所需的全部微操作。指令所需的全部微操作。（4）写出无条件转移指令）写出无条件转移指令“JMP Y”和结果溢出和结果溢出则转指令则转指令“BAO，Y”在执行阶段所需的全部在执行阶段所需的全部微操作。微操作。 l9.5设机器设机器A的主频为的主频为8

22、MHz，机器周期含，机器周期含4个时个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试求该机的平均指令周期和机器周，试求该机的平均指令周期和机器周期，每个指令周期中含几个机器周期？如果机期，每个指令周期中含几个机器周期？如果机器器B的主频为的主频为12MHz，且机器周期也含，且机器周期也含4个时个时钟周期，试问钟周期，试问B机的平均指令执行速度为多少机的平均指令执行速度为多少MIPS?l9.6 设某机主频为设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令平均有个时钟周期，每条指令平均有4个机器周期，个机器周期，试问该机的

23、平均指令执行速度为多少试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机器周期平均含若机器主频不变，但每个机器周期平均含4个个时钟周期，每条指令平均有时钟周期，每条指令平均有4个机器周期，则个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由？由此可得出什么结论？此可得出什么结论？l9.8计算机的主频为计算机的主频为6MHz，各类指令的平均执，各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单位用速度（单位用MIPS表示），若上述表示），若上述CPU芯片芯片升档为升档为10MHz，则该机的速度又为多少？，则该机的速度又为多少？l9.9试比较同步控制、异步控制和联合控制的区试比较同步控制、异步控制和联合控制的区别。别。l9.11设设CPU内部结构如课本图内部结构如课本图9.4所示，此外还所示，此外还设有设有B、C、D、E、H、L六个寄存器，它们各六个寄存器，它们各自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别受控制信号控制（如受控制信号控制（如Bi为寄存器为寄存器B的输入控制；的输入控制；Bo为为B的输出控制）。要求从取指令开始，写的输出控制）。要求从取指令开始，写出完成下列指令所需的