计算机组成原理第九章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四篇 控制单元CU,第九章 控制单元的功能,控制单元（,CU,）是,CPU,中的核心部件，也是计算机的核心部件。它是全机的指挥系统，决定全机在什么时间根据什么条件应该做什么事情，即,产生,计算机运行所需要的全部,控制,命令,。,主要内容,9.1,微操作命令的分析,9.2 控制单元的功能,9.3 多级时序系统,9.1 微操作命令的分析,在计算机中，操作是具有,层次,的，即一个较大的操作可被分解为小操作，如此分层直到不可分解为止。,微操作,指计算机中最基本的，,不可再分解的操作,。具体对应逻辑线路中的开、关等。,微命令,完成微操作所需的控制信号，它控制某个微操作定位、定时地进行，也称为,微操作命令,。,以几类典型指令为例，,分析指令周期的各,CPU,周期所完成的微操作,。这几类指令分别是：,非访,存,指令,直接访,存,指令,间接访,存,指令,转移类指令,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,不同指令在取指令周期、间址周期和中断中期所做的操作是相同的，区别仅在执行周期。我们假定一个模型机来分析。,MAR,CU,MDR,PC,IR,存储器,地址总线,数据总线,控制总线,CPU,取指令周期,取指令周期,将当前指令地址送存储器地址寄存器,记作,PC,MAR,；,向主存发读命令，启动主存做读操作，记作,1,R,；,将主存单元内容经数据总线读至,MDR,内，记作,M,DR,；,将,MDR,内容送至,IR,内，记作,MDR,IR,；,将,IR,中的指令送控制单元进行指令分析，记作,IR,CU,；,对,PC,进行修正，形成下一条指令的地址，记作,(PC)+1,PC,。,MAR,CU,MDR,存储器,地址总线,数据总线,控制总线,CPU,间址周期,间址周期,将指令的地址部分,的,形式地址送存储器地址寄存器,记作,Ad(IR),MAR,；,向主存发读命令，启动主存做读操作，记作,1,R,；,将主存单元内容经数据总线读至,MDR,内，记作,M(MAR),MDR,；,将有效地址送指令寄存器的地址码字段，记作,MDR,Ad(IR),。,执行周期,1.,非访存指令,(1),清除累加器指令,CLA,在执行阶段仅,完成清除累加器操作，记作,0,AC,。,(2),累加器取反指令,COM,在执行阶段只,完成累加器内容取反，结果送,累加器操作，记作,AC,AC,。,(3),算术右移一位指令,SHR,在执行阶段仅,完成,累加器,内容算术右移一位,操作，记作,L(AC),R(AC),。,(4),循环左移一位指令,CSL,在执行阶段只,完成,累加器,内容循环左移一位,操作，记作,R(AC),L(AC),。,(5),停机指令,STP,计算机有一个运行标志触发器,G,，当,G=1,时，表,示机器,运行,；当,G=,0,时，表示机器,停机,。,STP,指令,在执行阶段只需将运行标志触发器置“,0”,，,记作,0,G,。,MAR,CU,MDR,存储器,地址总线,数据总线,控制总线,ACC,ALU,CPU,访存指令：以间址指令,ADD X,为例,2.,访存指令,(1),加法指令,ADD X,将指令地址码部分送存储器地址寄存器，记作,Ad(IR),MAR,；,向主存发读命令，启动主存做读操作，记作,1,R,；,将主存单元内容经数据总线读至,MDR,内，记作,M(MAR),MDR,；,给,ALU,发“加”命令，将,AC,C内容和,MDR,内容相加，结果送,AC,C，,记作,(AC,C,)+(MDR),A,C,C,。,(2),存数指令,STA X,将指令地址码部分送存储器地址寄存器，记作,Ad(IR),MAR,；,向主存发写命令，启动主存做写操作，记作,1,W,；,将累加器内容送至,MDR,，记作,AC,C,MDR,；,将,MDR,内容通过数据总线写入到,MAR,所指的内存单元，,记作,MDR,M(,MAR),。,(3),取数指令,LAD X,将指令地址码部分送存储器地址寄存器，记作,Ad(IR),MAR,；,向主存发读命令，启动主存做读操作，记作,1,R,；,将,MAR,通过地址总线所指的内存单元,的,内容读,出,到,MDR,中，,记作,M(,MAR),MDR,。,将,MDR,内容送至累加器，记作,MDR,AC,C,(1),无条件转移指令,JMP X,该指令在执行阶段完成将指令的地址码部分,X,送至,PC,记作,Ad(IR),PC,。,3.,转移类指令,(2)条件转移指令,JNZ X,该指令根据上条指令的运算结果决定下条指令的地址，若结果,不为零，,则指令的地址码送,PC，否则PC值不变,。,9.2 控制单元的功能,9.2.1,控制单元的外特性（输入信号和输出信号）,控制单元,CU,指令寄存器,(IR),CPU,内的,状态标志,时钟,CPU,内控制信号,到系统总线的控制信号,来自系统总线的,请求和状态信号,系,统,总,线,1.输入信号,(1)时钟,(2)指令寄存器,(4)来自系统总线中的控制总线的控制信号,(3)标志,CU,必须,受时钟控制，,一个时钟脉冲发送一个操作命令。,控制信号,与操作码有关,OP(IR)CU,CU,须,受标志控制，如依赖于ALU操作的结果。,如,INTR,中断请求 DMA请求等。,2.输出信号,(1),CPU,内的各种控制信号,(2),送至控制总线的信号,R,i,R,j,，,(,PC)+1 PC,INTA,HLDA,访存控制信号,访,IO,/,内存,的控制信号,读命令,写命令,中断响应信号,总线响应信号,MREQ,IO/M,RD,WR,ALU,的算术逻辑等运算命令等,9.2.2 控制信号举例,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,M,D,R,M,A,R,控制信号,标志,控制,信号,C,0,C,1,C,2,C,3,C,4,取指周期,M,D,R,PC,M,A,R,IR,CU,1.不采用,CPU,内部总线的方式（,以,ADD X,为例）,ADD X,间址周期,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,M,D,R,M,A,R,控制信号,标志,控制,信号,C,1,C,2,C,3,C,5,M,D,R,M,A,R,M,D,R,IR,形式地址,有效地址,有效地址,ADD X,执行周期,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,M,D,R,M,A,R,控制信号,标志,控制,信号,C,1,C,2,C,5,C,7,C,6,C,8,M,A,R,AC,ALU,M,D,R,M,D,R,控制,信号,操作数,有效地址,MDR,MDR,CU,(1),ADD X,取指周期,PC,CU,发读命令,1,R,MDR,OP（IR）,（,PC）+1 PC,IR,PC,MAR,AC,Y,ALU,Z,控制信号,IR,i,IR,i,PC,O,PC,O,MAR,i,MAR,i,MDR,O,MDR,O,数据线,数据线,控制信号,CPU,内,部,总,线,时钟,地址线,地址线,MAR,MDR,IR,CU,IR,PC,PC,MDR,MAR,CU,IR,采用CPU内部总线的方式,内部总线,(2),ADD X,间址周期,MDR,1,R,MDR,有效地址,Ad（IR,）,MDR,O,MDR,O,数据线,数据线,时钟,CU,IR,PC,MAR,MDR,AC,Y,ALU,Z,控制信号,控制信号,CPU,内,部,总,线,MDR,IR,MAR,i,MAR,i,地址线,地址线,MAR,IR,i,IR,i,MAR,MDR,IR,MDR,MDR,MDR,O,MDR,O,MDR,O,MDR,O,形式地址,MAR,(3),ADD X,执行周期,时钟,CU,IR,PC,MAR,MDR,AC,Y,ALU,Z,控制信号,CPU,内,部,总,线,MDR,O,MDR,O,1,R,MDR,Z,AC,（,AC）+（Y）,MDR,控制信号,MAR,MDR,地址线,地址线,数据线,数据线,MAR,MDR,Y,Y,i,Y,i,Y,ALU,AC,AC,O,AC,O,ALU,i,ALU,i,ALU,AC,Z,Z,Z,O,Z,O,AC,i,AC,i,MAR,i,MAR,i,ALU,AC,9.2.3,多级时序系统,计算机内所有的操作有两个特点：一是,空间性,：即操作执行的,地点,；二是,时间性,：即操作应在什么,时刻,完成。第一点主要由指令译码信号指定，第二点则要靠机内相互有一定配合关系的时间基准信号来定时，称为,时序信号,。,时序系统的作用：,1.机器周期,一条指令的执行分成几个相互独立的步,骤,来完成。通常，,以访问一次,内,存储器,所需要的时间定为一个,机器周期,。,2,.,时钟周期（节拍或状态）,在一个机器周期可完成若干个,微操作,，每一个微操作都需要一定时间，,一个节拍宽度对应一个时钟周期,，好比计算机的心脏，一旦接电就产生时钟信号，控制产生微命令信号。,T,1,T,2,T,3,CLK,时,序,信,号,举,例,指令周期、机器周期和时钟周期的关系：,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。,9.2.4,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。由于不同指令所对应的微操作及其复杂程度不同，因此每条指令和每个微操作所需要的执行时间也不同。,所谓,控制方式,，即如何形成不同微操作序列所采用的时序控制方式。,主要有三种控制方式：,同步控制、异步控制和联合控制,。,1.,同步控制方式,任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行，都由事先确定且有统一的时序信号所控制的方式，称为同步控制方式。,即人为地规定所有操作的执行时间都相等,。,操作间衔接：,自动即前一操作完后，自动进入下一操作。,特点：,时序关系简单，便于实现，但时间利用率低，,不能充分发挥各部件的运行速度。,2.,异步控制方式,计算机中不采用统一的基准时标来控制，各种操作需要多长时间，就分配多长时间。,操作间衔接：,采用“,应答,”方式，,即,执行完时操作部件自动发“完成,”信号，作为下一操作启动的,依据,。,特点：,可充分发挥各部件的运行速度，时间利用率高，,但控制复杂，技术上不易实现。,3.,联合控制方式,（,同步和异步相结合,）,在实际的计算机中，完全的同步和异步是难以实现的，基本上都采用,联合方式,。,根据其倾向性，可分为：同步计算机，即以同步为主，以异步为辅；异步计算机，即以异步为主，以同步为辅。,通常,，在一台计算机中，,CPU,内部，,常采用同步控制方式；,主机和,I/O,间，,常采用异步控制方式；,CPU,和内存间，,采用同步或异步控制方式。,本章总结,1,、微操作和微命令,2,、多级时序系统,3,、控制方式,