计算机原理第九章

1、第第9 9章章 控制单元的功能控制单元的功能9.1 微操作命令的分析微操作命令的分析9.2 控制单元的功能控制单元的功能9.1 9.1 微操作命令的分析微操作命令的分析一、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OP（IR） CU二、间址周期二、间址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数据总

2、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) + (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

3、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 指令周期指令周期取指周期取

4、指周期间址周期间址周期执行周期执行周期间接转移间接转移 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 ” 地址地址程序断点进栈程序断点进栈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中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC( SP ) 1 MAR本本 节节 结结 束束9.2 9.2 控制单元的功能控制单元的功能一、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元 CU时钟时钟标志标志

5、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) 来自系统总线（控制总线）的控制信号来自系统总线（控制总线）的控制信号(3) 标志标志CU 受时钟控制受时钟控制控制信号与操作码有关控制信号与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志控制，标志也是受标志控制，标志也是 CU 的输入信号的输入信号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

6、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、多级时序系统二、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

7、中的一个基准时间每条指令的执行步骤每条指令的执行步骤每一步骤所需的时间每一步骤所需的时间以完成最复杂指令功能的时间为准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以访问一次存储器的时间为基准若指令字长若指令字长 = 存储字存储字长长取指周期取指周期 = 机器周期机器周期不合理不合理合理合理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时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间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

8、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）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CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期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个机器周期一个指令周期包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

9、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)定长定长不定长不定长4. 机器速度与机器主频的关系机器速度与机器主频的关系机器的主频机器的主频 f 越快，机器的速度也越快越快，机器的速度也越快在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比机器速度不仅与主频有关机器速度不仅与主频有关 ，还与机器周期中所

10、含时钟，还与机器周期中所含时钟周期（主频的倒数）数，以及指令周期中所含的机器周期（主频的倒数）数，以及指令周期中所含的机器周期数有关周期数有关MIPS1MIPS2=f1f2机器速度还与主存运行速度、机器速度还与主存运行速度、Cache、总线数据传输、总线数据传输速率、硬盘运行速度、是否采用指令流水等相关速率、硬盘运行速度、是否采用指令流水等相关三、控制方式三、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统一基准时标的时序信号控制任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期机器周期机

11、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) 采用定长的机器周期采用定长的机器周期以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准机器周期内节拍数相同，对短指令造成时间浪费机器周期内节拍数相同，对短指令造成时间浪费(2) 采用不定长的机器周期采用不定长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）

12、（执行指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延长机器周期内节拍数不等机器周期内节拍数不等(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 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T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍2. 异步控制方式异步控制方式无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应答方式，结构较复杂采用应答方式，结构较复杂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) 连续和单条指令执行转换开关连续和单条指令执行转换开关(3) 符合停机开