浅谈控制单元功能

浅谈控制单元功能内容摘要本文介绍了计算机组成的控制单元的功能内容当中的微操作指令和具体的功能实现讲解。其中微操作指令，包括加法指令、存数取数指令。为进一步分析微操作，将其分为四个阶段，四个阶段包括取址周期、间址周期、执行周期以及中断周期。另外功能主要包括其外特征、信号举例、多级时许系统、控制方式以及多级时序系统实例分析。一、控制单元功能综述控制单元的英文翻译为controlunit〔cu〕是CPU部件之一，本次学习的《计算机组成原理》一书着重分析控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令——这些命令〔又称控制信号〕控制计算机的所有部件有次序地完成相应的操作，以到达执行程序的目的，控制单元负责程序的流程管理。正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令存放器IR、指令译码器ID和操作控制器0C三个部件组成，整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令存放器IR中，通过指令译码确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。其功能主要包括外特征、信号举例、多级时许系统、控制方式以及多级时序系统实例分析。控制单元的内容和根本原理微操作命令的分析控制单元具有发出各种微操作命令序列的功能。概括地说，计算机的功能就是执行程序。在执行程序的过程中，控制单元要发出各种微操作命令，而且不同的指令对应不同的命令。进一步分析发现完成不同指令的过程中有些操作是相同或相似的如取指令、取操作数地址当间接寻址时以及进入中断周期由中断隐指令完成的一系列操作。为更清晰起见下面按指令周期的四个阶段进一步分析其对应的微操作命令。四个阶段包括取址周期、间址周期、执行周期以及中断周期。访存指令这类指令在执行阶段都需访问存储器。为简单起见这里只考虑直接寻址的情况不考虑其他寻址方式。1加法指令ADDX。该指令在执行阶段需完成累加器内容与对应于主存X地址单元的内容相加结果送累加器的操作。2存数指令STAX。该指令在执行阶段需将累加器ACC的内容存于主存的X地址单元中。3取数指令LDAX。该指令在执行阶段需将主存X地址单元的内容取至累加器ACC中控制单元功能细化①、控制单元的外特性包括：1输入信号〔它也包含时钟、指令存放器、标志以及来自控制总线的控制信号如中断请求、DMA请求。〕2输出信号〔它又包括CPU内的控制信号和送至控制总线的信号〕②、控制信号举例控制单元的主要功能就是能发出各种不同的控制信号。一种是不采用CPU内部总线的方式，它包括：取指周期、间址周期。、执行周期。另外一种是采用CPU内部总线的方式。它也包含1取指周期、间址周期和执行周期。③、多级时序系统1机器周期的介绍机器周期可看作是所有指令执行过程中的一个基准时间机器周期取决于指令的功能及器件的速度。确定机器周期时通常要分析机器指令的执行步骤及每一步骤所需的时间。总之通过对机器指令执行步骤的分析会找到一个基准时间在这个基准时间内所有指令的操作都能结束。假设以这个基准时间定为机器周期显然不是最合理的。2时钟周期节拍、状态介绍在一个机器周期里可完成假设干个微操作每个微操作都需一定的时间可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。这样一个机器周期内就包含了假设干个时钟周期又称节拍或状态。3多级时序系统介绍一个指令周期包含假设干个机器周期一个机器周期又包含假设干个时钟周期节拍每个指令周期内的机器周期数可以不等每个机器周期内的节拍数也可以不等。④、控制方式控制单元控制一条指令执行的过程实质上是依次执行一个确定的微操作序列的过程。常见的控制方式有同步控制、异步控制、联合控制和人工控制四种。⑤、多级时序系统实例分析从指令的执行过程来看，实现时序控制所需的时序信号，主要包含节拍电位和节拍脉冲，它们组成了中央处理器的时序系统。实际应用上图示意了采用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存放器到总线或总线到存放器之间的传送。如IRi表示控制从内部总线到指令存放器的输入控制门PC0表示控制从程序计数器到内部总线的输出控制门。下标为i表示输入控制下标为o表示输出控制、以此类推。图中多了两个存放器Y和Z这是由于ALU是一个组合逻辑电路在其运算过程中必须保持两个输入端不变其中一个输入可以从Y存放器中获得另一个输入可以从内部总线上获得。当CPU内有多个通用存放器时由于设置了存放器Y可实现任意两个存放器之间的算逻运算。此外ALU的输出不能直接与内部总线相连因为其输出又会通过总线反应到ALU的输入影响运算的正确性故用存放器Z暂存运算结果再根据需要送至指定的目标。下面仍以完成间接寻址的加法指令ADDX为例分析控制单元发出的控制信号。1取指周期。①PC0和MARi有效完成PC经内部总线送至MAR的操作即PC→MAR②通过控制总线图中未画出向主存发读命令即1→R③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容指令送至MDR④MDR0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CU⑤使PC内容加1图中未标出。2间址周期。①MDR0和MARi有效将指令的形式地址经内部总线送至MAR即MDR→MAR②通过控制总线向主存发读命令即1→R③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容有效地址送至MDR④MDR0和IRi有效将MDR中的有效地址送至IR的地址码字段即MDR→AdIR。3执行周期。①MDR0和MARi有效将有效地址经内部总线送至MAR即MDR→MAR②通过控制总线向主存发读命令即1→R2③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容操作数送至MDR④MDR0和Yi有效将操作数送至Y即MDR→Y⑤AC0和ALUi有效同时CU向ALU发“ADD”加控制信号使AC的内容和Y的内容相加结果送存放器Z即ACY→Z⑥Z0和ACi有效将运算结果存入AC即Z→AC。现代计算机的CPU都集成在一个硅片内在芯片内采用内部总线的方式可大大节省芯片内部存放器之间的连线使芯片内各部件布局更合理。心得体会这门课对于对于我们大二来说是一门比拟难学的课程，而且张老师也是一个很负责人的老师，这让我们学习起来相比照拟轻松。该课程的学习无疑对我们后续的开展有积极的意义。改课程在专业课程内起着承上启下的作用。通过这一学期来老师细致全面的讲授我现在对它也有了一个系统的理解。对于计算机的根本结构根本组成与结构原理各功能部件在整机中的作用以及所要完成的任务程序和数据在计算机中是如何存储的以及指令在计算机中的执行过程计算机与外部设备之间的接口技术与原理和计算机外部设备的根本结构与工作原理等。还有一个很深的体会就是作业量很多，这个不是什么坏事，作业做多了，能及时稳固书本上的知识，也能给我们一段时间去消化刚学的知识。另外就是感觉考试的时候有点心有余而力缺乏，不知道是自己平时学的知识面不符合考试范围，还是考试紧张，只要考试，那些题目都是似是而非，模棱两可的。这个方面还要加强学习哈。结语通过对《计算机组成原理》知识的总结回忆和实际应用，我深刻了解到《计算机组成原理》的重要姓，加深了对计算机知识的认识和了解，，了解到了计算机根底在各方面知识以及本身知识提升过程中的重要性。另一方，通过本次总结，我还认识到了很多以前没注意到的细节问题，比方总结下以前做的作业的类型，很多都是简单题，还有就是试卷的类型，都是简单的，没有选择题。上课老师提问问题都是很有针对性的！我相信这次的论文总结会对我以后的学习和工作