计算机组成原理（第2版）：第９章 控制单元的功能

1、第第章章 控制单元的功能控制单元的功能 9.1 操作命令的分析操作命令的分析 9.2 控制单元的功能控制单元的功能 9.1 操作命令的分析操作命令的分析 完成一条指令分完成一条指令分 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 一、取指周期一、取指周期 PC MAR 地址线地址线 1 R M ( MAR ) MDR MDR IR ( PC ) + 1 PC +1 MDR CU MAR 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 9.1 操作命令的分析操作命令的分析 OP（IR） CU 二、二、间址

2、周期间址周期 M ( MAR ) MDR 1 R Ad ( IR ) MAR MDR Ad ( IR ) 指令形式地址指令形式地址 MAR MDR CU MAR 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 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 ACC ACC ACC L(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0 R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn 0 G 2. 访存指令

3、访存指令 Ad(IR) MAR 1 R M(MAR) MDR (ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR 1 W ACC MDR MDR M(MAR) STA X ADD X (2) 存数指令存数指令 (1) 加法指令加法指令 (3) 取数指令取数指令 Ad ( IR ) MAR 1 R M ( MAR ) MDR MDR 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 ) PC A0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PC LDA X JMP X BAN X（负则转）（负则转） 4. 三类指令的指令周期三类指令的指令

4、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 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 进栈进栈 0 MAR 1 W PC MDR MDR M ( MAR ) 向量地址向量地址 PC 0 EINT（置（置“0”）0 EINT

5、（置（置“0”） 向量地址向量地址 PC MDR M ( MAR ) PC MDR 1 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 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 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) 外来信号外来信号 (3) 标志标志 CU 受时钟控制受时钟控

6、制 控制信号控制信号 与操作码有关与操作码有关 OP ( IR ) CU CU 受标志控制受标志控制 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 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 PC INTA HLDA 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

7、MREQ IO/M RD WR ALU 、与、或、与、或 二、控制信号举例二、控制信号举例 PCIR AC CU 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 C0 C1 C2 C3 C4 取指周期取指周期 以以 ADD X 为例为例 PCIR CU 1. 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 PCIR AC CU 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 C1

8、 C2 C3 C5 ADD X 间址周期间址周期 IR M D R M D R M A R PCIR AC CU 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 C1 C2 C5 ADD X 执行周期执行周期 C7 C6C8 AC ALU 控制控制 信号信号 M D R M A R M D R MDR MDR CU (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 PC IR PC MAR AC Y

9、 ALU Z 控制信号控制信号 IRi IRi PCO PCO MARi MARi MDRO MDRO 数据线数据线 数据线数据线 控制信号控制信号 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MAR MDR IR CU IR PCPC MDR MAR CU IR PCPC CU (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） MDRO MDRO 数据线数据线 数据线数据线 时钟时钟CU IR PC MAR MDR AC Y ALU Z 控制信号控制信号 控制信号控制信号 C

10、PU 内内 部部 总总 线线 MDR IR MARi MARi 地址线地址线 地址线地址线MAR IRi IRi MAR MDR IR MDRMDR MDRO MDROMDROMDROMDRO 形式地址形式地址 MAR CU 时钟时钟CU IR PC MAR MDR AC Y ALU Z 控制信号控制信号 CPU 内内 部部 总总 线线 MDRO MDRO (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 MAR MDR 地址线地址线 地址线地址线 数据线数据线 数据线数据线 MAR MDR Y MDRMDR MDRO MDROMDRO

11、MDROMDROMDROMDRO Yi Yi Y ALU AC ACO ACO ALUi ALUi ALUALU AC Z Z Z ZO ZO ACi ACi ACACACAC MARi MARi ALU AC CU 三、多级时序系统三、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

12、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 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

13、一个或几个微操作命令 CLK T0 T1 T2 T3 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 T0T1T2T3T0T1T2T3 3. 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）（执行指令） 指令周期指令周期 T0T1T2T3

14、T0T1T2T3T0T1T2T3 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) 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 ，还与机器周期中所含，还与机器周期中所含

15、 时钟周期时钟周期（主频的倒数）（主频的倒数）数数 以及指令周期中所含以及指令周期中所含 的的 机器周期数有关机器周期数有关 MIPS1 MIPS2 = f1 f2 四、控制方式四、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 任一微操作均由任一微操作均由 统一基准时标统一基准时标 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)

16、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 (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）（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 (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 T0