机组课件-第9章控制单元功能

第九章控制单元的功能计算机组成原理主讲人：李新

山东大学计算机科学与技术学院作者：唐朔飞高等教育出版社2上期回顾1.CPU主要包含哪些部件？2.指令周期第四篇控制单元功能：发出各种控制信号序列分析时序系统以及微操作命令节拍安排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元神经系统3内容提要10.2

微程序设计

10.1

组合逻辑设计

9.2

控制单元的功能9.1微操作命令的分析

49.1操作命令的分析假设完成一条指令分4个工作周期：取指周期间址周期执行周期中断周期5一、取指周期PCMAR地址线1RM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC+1MDRCUMAR

PC

IR存储器CPU地址总线数据总线控制总线9.1操作命令的分析OP（IR）CU指令6二、间址周期M(MAR)MDR1RAd(IR)MARMDRAd(IR)指令形式地址MAR9.1MDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器地址7三、执行周期1.非访存指令(1)CLA

清A(2)COM

取反(4)CSL

循环左移(3)SAR

算术右移(ShiftArithmeticRight)(5)STP

停机指令0ACCACCACCL(ACC)R(ACC),ACC0ACC0R(ACC)L(ACC),ACC0ACCn0G9.182.访存指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCAd(IR)

MAR1WACCMDRMDRM(MAR)STAXADDX(2)存数指令(1)加法指令9.19(3)取数指令Ad(IR)

MAR1RM(MAR)

MDRMDRACC3.转移指令(1)无条件转(2)条件转移Ad(IR)

PCA0•Ad(IR)+A0(PC)PCLDAXJMPXBANX（负则转）9.1104.三类指令的指令周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期执行周期取指周期间址周期执行周期非访存指令周期直接访存指令周期间接访存指令周期转移指令周期9.1取指周期间址周期执行周期间接转移指令周期11四、中断周期程序断点存入“0”地址程序断点进栈0

MAR1WPCMDRMDRM(MAR)向量地址PC0EINT（置“0”）0EINT（置“0”）向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W9.1(SP)1

MAR129.2控制单元的功能一、控制单元的外特性指令寄存器控制单元

CU…时钟标志CPU内部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系统总线131.输入信号(1)时钟(2)指令寄存器(4)外来信号(3)标志CU受时钟控制控制信号与操作码有关OP(IR)CUCU受标志控制INTR中断请求HRQ总线请求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如9.2142.输出信号(1)CPU内的各种控制信号(2)送至控制总线的信号Ri

Rj(PC)+1PCINTAHLDA访存控制信号访IO/

存储器的控制信号读命令写命令中断响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU:＋、－、与、或……9.215二、控制信号举例PCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期以ADD@X为例PCIRCU9.21.不采用CPU内部总线的方式PCPCPC

MDR

MAR

MDR

MAR16PCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MAR二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式C1C2C3C5ADD@X间址周期IR9.2

MDR

MDR

MAR17PCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MAR二、控制信号举例1.不采用CPU内部总线的方式C1C2C5ADD@X执行周期C7C6C8ACALU…控制信号9.2

MDR

MAR

MDR18MDRMDRCU(1)ADD@X取指周期

PC

CU

发读命令1R

MDROP（IR）（PC）+1PCIRPCMARAC

YALUZ…控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO…数据线数据线控制信号CPU

内部总线时钟2.采用CPU内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCU9.2IRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU19(2)ADD@X间址周期

MDR1R

MDR有效地址

Ad（IR）MDROMDRO数据线数据线时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号…控制信号CPU

内部总线MDRIRMARi

MARi地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址MAR

9.2CU20时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号CPU

内部总线MDROMDRO(3)ADD@X执行周期1R

MDR

Z

AC（AC）+（Y）

MDR控制信号…MARMDR地址线地址线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi

YALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARi

MARiALUAC9.2CU212009年研究生入学考试44题(13分)某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如图中所示，图中所有控制信号为1时表示有效，为0时表示无效，例如控制信号MDRinE为1表示允许数据从DB打入MDR，MDRin为1表示允许数据从内总线打入MDR。假设MAR的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD(R1),R0”的功能为(R0)+((R1))→（R1），即将R0中的数据与R1的内容所指主存单元的数据相加，并将结果送入R1的内容所指主存单元中保存。时钟功能有效控制信号C1MAR←(PC)PCout,MARinC2MDR←M(MAR)PC←(PC)+1MemR,MDRinE,PC+1C3IR←(MDR)MDRout,IRinC4指令译码无下表给出了上述指令取指和译码阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，请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有效控制信号。22数据结构通路R0R1inA内总线MARMDRIRPCMDRoutEPCinACin存储器(M)ALUMDRinCPUMemWIRinDataAddrMemR地址总线AB数据总线DB控制总线CBACAddAinACoutR1R1outMARinMDRoutMDRinE指令译码部件PC+1PCoutR0inR0outXout

三态门控制信号Xin

寄存器输入控制信号图例23参考答案一时钟功能有效信号C5MAR←(R1)R1out,MARinC6MDR←M(MAR)A←(R0)MemR,MDRinER0out,AinC7AC←(MDR)+(A)MDRout,Add,ACinC8MDR←(AC)ACout,MDRinC9M(MAR)←(MDR)MDRoutE,MemW24参考答案二时钟功能有效信号C5MAR←(R1)R1out,MARinC6MDR←M(MAR)MemR,MDRinEC7A←(MDR)MDRout,AinC8AC←(A)+(R0)R0out,Add,ACinC9MDR←(AC)ACout,MDRinC10M(MAR)←(MDR)MDRoutE,MemW25三、多级时序系统1.机器周期(1)机器周期的概念(2)确定机器周期需考虑的因素(3)基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行步骤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访问一次存储器的时间为基准若指令字长=存储字长取指周期

=

机器周期9.2262.时钟周期（节拍、状态）

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时间段（时钟周期、节拍）9.2用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令27CLKT0T1T2T3时钟周期2.时钟周期（节拍、状态）

机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T39.2283.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

（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2节拍(状态)节拍(状态)9.2294.机器速度与机器主频的关系机器的主频f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，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，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数有关9.2MIPS1MIPS2=f1f230四、控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1.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CLK机器周期机器周期机器周期（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)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9.2机器周期内节拍数相同31(2)采用不定长的机器周期机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2节拍(状态)机器周期机器周期（取指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长9.2机器周期内节拍数不等时钟周期32(3)采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍

T3T0T1中央控制节拍机器周期执行周期指令周期取指周期T0T1T2T39.2局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍…332.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3.联合控制方式4.人工控制方式(调试方式)(1)Reset(2)连续和单条指令执行转换开关(3)符合停机开关(同步与异步相结合)9.2大部分统一、小部分区别对待34五、多级时序系统实例分析1.8085的组成9.2A15~A8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）

指令译码和机器周期编码ALU定时和控制时钟控制状态DMA复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRDWRALEIO/MHLDAResetoutAD7~AD0352.8085的外部引脚(1)地址和数据信号(2)定时和控制信号(3)存储器和I/O初始化A15~A8

AD7~AD0SIDSOD入X1X2入HOLDReady出

HLDA出CLK

ALES0S1

IO/M

RD

WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.236(4)与中断有关的信号(5)CPU初始化(6)电源和地出INTATrap重新启动中断入INTR入