计算机组成原理 第9章 控制单元的功能

1、第九章控制单元的功能第九章控制单元的功能 计算机组成原理计算机组成原理 主讲人：陈志勇主讲人：陈志勇 山东大学山东大学 计算机科学与学院计算机科学与学院作者：唐朔飞作者：唐朔飞高等教育出版社高等教育出版社2l上期回顾上期回顾1. CPU1. CPU主要包含哪些部件？主要包含哪些部件？2. 2. 指令周期指令周期l第四篇第四篇 控制单元控制单元功能：发出各种控制信号序列功能：发出各种控制信号序列分析时序系统以及微操作命令分析时序系统以及微操作命令节拍安排节拍安排学习如何用组合逻辑控制及微学习如何用组合逻辑控制及微程序控制两种方式设计控制单程序控制两种方式设计控制单元元神经系统神经系统 第九章控制

2、单元的功能 3内容提要内容提要10.2 微程序设计微程序设计 10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计 9.2 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 4假设完成一条指令分假设完成一条指令分 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 5一、取指周期一、取指周期 PC MAR 地址总线地址总线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 (PC)指令指令6二、间址周期

3、二、间址周期 M ( MAR ) MDR1 RMDR 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存储器存储器地址地址Ad ( IR ) MAR 地址总线地址总线说明：说明：在有些机器中没有最后一步操作。在有些机器中没有最后一步操作。7三、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) SAR 算术右移算术右移 (Shift Arithmetic Right) (5) STP 停机指令停机指令0 ACCACC ACCL(ACC)

4、R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G(此处此处G为运行标志触发器为运行标志触发器)82. 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 (隐含寻址隐含寻址/直接寻址直接寻址)(2) 存数指令存数指令(1) 加法指令加法指令9(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 ) P

5、CA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）（负则转）104. 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11四、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

6、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 MAR12一、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时钟时钟标志位标志位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131. 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

7、制控制信号控制信号 与操作码有关与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志位控制受标志位控制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142. 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 、

8、与、或、与、或15二、控制信号举例二、控制信号举例PCIRACCU时钟时钟ALU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PCIRCU1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A R内存内存16PCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A R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（P380约定）约定）C1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期IR M D R M D R

9、 M A R内存内存17PCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A R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C7C6C8ACALU控制控制信号信号 M D R M A R M D R内存内存18MDRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC CU 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

10、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MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCUi i表示输入控制，表示输入控制，o o表示输出控制表示输出控制19(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 部部 总总 线线MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROM

11、DROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU20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 ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU21采用内总线结构的指令流程举例采用

12、内总线结构的指令流程举例22PC+1R23PC+1R(AC)-(Y) ZHBus YAC0, Y0, ALUi, ”-“24例例 9.29.2 图中，各寄存器的输入和输出均受控制信号控制。图中，各寄存器的输入和输出均受控制信号控制。假设指令地址已存于假设指令地址已存于PCPC中，画出中，画出 ADD X,DADD X,D和和STA STA * * D D两条两条指令的周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。指令的周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。BusBus2520092009年研究生入学考试年研究生入学考试4444题题l(13分分)某计算机字长某计算机字长16位，采用位，采用16位

13、定长指位定长指令字结构，部分数据通路结构如图中所示，令字结构，部分数据通路结构如图中所示，图中所有控制信号为图中所有控制信号为1时表示有效，为时表示有效，为0时表时表示无效，例如控制信号示无效，例如控制信号MDRinE为为1表示允表示允许数据从许数据从DB打入打入MDR，MDRin为为1表示允表示允许数据从内总线打入许数据从内总线打入MDR。l假设假设MAR的输出一直处于使能状态。加法的输出一直处于使能状态。加法指令指令“ADD (R1),R0”的功能为的功能为(R0)+(R1)（R1），即将），即将R0中的数据与中的数据与R1的内容所指的内容所指主存单元的数据相加，并将结果送入主存单元的数据

14、相加，并将结果送入R1的内的内容所指主存单元中保存。容所指主存单元中保存。时钟时钟功能功能有效控制信号有效控制信号C1C1MAR(PC)MAR(PC)PCout,MARinPCout,MARinC2C2MDRM(MAR)MDRM(MAR)PC(PC)+1PC(PC)+1MemR,MDRinE,MemR,MDRinE,PC+1PC+1C3C3IR(MDR)IR(MDR)MDRout,IRinMDRout,IRinC4C4指令译码指令译码无无l 下表给出了上述指令取指和下表给出了上述指令取指和译码阶段每个节拍（时钟周期译码阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，）的功能和有效控制信号，请请按

15、表中描述方式用表格列出指按表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号有效控制信号。26数据结构通路数据结构通路R0R1inA内总线内总线MARMDRIRPCMDRoutEPCinACin存储器存储器(M)ALUMDRinCPUMemWIRinDataAddrMemR地址总线地址总线AB数据总线数据总线DB控制总线控制总线CBACAddAinACoutR1R1outMARinMDRoutMDRinE指令指令译码译码部件部件PC+1PCoutR0inR0outXout 三态门三态门控制信号控制信号Xin 寄存器寄存器输入控制信号输入控制信号图例图例27

16、参考答案一参考答案一时钟时钟功能功能有效信号有效信号C5C5MAR(R1)MAR(R1)R1out,MARinR1out,MARinC6C6MDRM(MAR)MDRM(MAR)A(R0)A(R0)MemR,MDRinEMemR,MDRinER0out,AinR0out,AinC7C7AC(MDR)+(A)AC(MDR)+(A)MDRout,Add,ACinMDRout,Add,ACinC8C8MDR(AC)MDR(AC)ACout,MDRinACout,MDRinC9C9M(MAR)(MDR)M(MAR)(MDR)MDRoutE,MemWMDRoutE,MemW28参考答案二参考答案二时钟时钟

17、功能功能有效信号有效信号C5C5MAR(R1)MAR(R1)R1out,MARinR1out,MARinC6C6MDRM(MAR)MDRM(MAR)MemR,MDRinEMemR,MDRinEC7C7A(MDR)A(MDR)MDRout,AinMDRout,AinC8C8AC(A)+(R0)AC(A)+(R0)MDRout,Add,ACinMDRout,Add,ACinC9C9MDR(AC)MDR(AC)ACout,MDRinACout,MDRinC10C10M(MAR)(MDR)M(MAR)(MDR)MDRoutE,MemWMDRoutE,MemW29三、多级时序系统三、多级时序系统 1.

18、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 = 机器周期机器周期302. 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

19、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31CLKT0T1T2T3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T0T1T2T3T0T1T2T3323. 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

20、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)工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3T1T1工作脉冲工作脉冲P PT2T2指

21、令周期指令周期控制不同阶段操作时间控制不同阶段操作时间控制分步操作时间控制分步操作时间对微操作定时对微操作定时取指取指取操作数，执行取操作数，执行取地址取地址取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC基准时钟基准时钟工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3节拍节拍工作脉冲工作脉冲P P节拍节拍T2T2指令周期指令周期取指取指修改修改打入打入打入打入补充：补充：组合逻辑控制器的时序划分组合逻辑控制器的时序划分344. 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机器的 主频主频 f 越快越快 机器的机器的 速度也越快速度也越快在机器周期所含时钟周期数

22、在机器周期所含时钟周期数 相同相同 的前提下，的前提下，两机两机 平均指令执行速度之比平均指令执行速度之比 等于等于 两机主频之比两机主频之比机器速度机器速度 不仅与不仅与 主频有关主频有关 ，还与机器周期中所，还与机器周期中所含含时钟周期时钟周期（主频的倒数）（主频的倒数）数数 以及指令周期中所以及指令周期中所含的含的 机器周期数有关机器周期数有关MIPS1MIPS2=f1f235四、控制方式四、控制方式 如何形成控制不同微操作序列所采用的时序控制方式如何形成控制不同微操作序列所采用的时序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式（预先设定）（预先设定）任一微操作均由任一微操作均由 统一基准时标

23、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 定长定长 的机器周期的机器周期以以 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 标准标准机器周期内机器周期内 节拍数相同节拍数相同36(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

24、(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延长延长机器周期内机器周期内 节拍数不等节拍数不等37(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382. 异步控制方式异步控制方式 无基准时标信号无基

25、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 (调试方式调试方式) (1) (1) ResetReset(2) (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) (3) 符合停机开关（指示存储器的位置）符合停机开关（指示存储器的位置）(同步与异步相结合同步与异步相结合)大部分统一、小部分区别对待大部分统一、小部分区别对待 39补充：补充： 时序控制方式时序控制方式 计算机的操作和时序信号之间的关系，称为计算机的操作和时序信号之间的关系，称为时序控制方式。

26、常用的有同步控制方式和异步控时序控制方式。常用的有同步控制方式和异步控制方式。制方式。1 1、同步控制方式、同步控制方式 概念概念：用统一发出的时序信号对各项操作进：用统一发出的时序信号对各项操作进行同步控制行同步控制, ,称为同步控制方式。（称为同步控制方式。（时钟周期作为时钟周期作为基本时序基本时序） 特点特点：有明显时序时间划分，时钟周期时间：有明显时序时间划分，时钟周期时间固定，各步操作的衔接、各部件之间的数据传送固定，各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。受严格同步定时控制。 优缺点优缺点：时序关系简单，时序划分规整，控制：时序关系简单，时序划分规整，控制40不复杂

27、；控制逻辑易于集中，便于管理。不复杂；控制逻辑易于集中，便于管理。时间安时间安排不合理；时间利用不经济排不合理；时间利用不经济。 应用场合应用场合：用于：用于CPUCPU内部、设备内部、系统内部、设备内部、系统总线操作总线操作( (各挂接部件速度相近，传送时间确定，各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近传送距离较近) )。2 2、异步控制方式、异步控制方式 概念概念：各项操作按不同需要安排时间，不受：各项操作按不同需要安排时间，不受统一时序控制。统一时序控制。 特点特点：无统一时钟周期划分，各操作间的衔：无统一时钟周期划分，各操作间的衔接和各部件之间的信息交换接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式采用异步应答方式。补充：补充： 时序控制方式时序控制方式41例例. .异步传送操作异步传送操作主设备主设备：申请并掌握总线控制权的设备申请并掌握总线控制权的设备。从设备从设备：响应主设备请求的设备响应主设备请求的设备。补充：补充： 时序控制方式时序控制方式总线总线主主从从发发