计算机组成原理第9章

1、张丽杰张丽杰哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学计算机硬件基础教研室计算机硬件基础教研室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 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二、间址周期二、间址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR

2、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 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 访存指令访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRM

3、DR M(MAR)STA XADD 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 ) 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 ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）（负则转）4. 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

4、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 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中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC( SP ) 1 SP MAR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

5、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

6、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 、与、或、与、或二、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

7、A RPCIRACCU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C1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期IR M D R M D R M A RPCIRACCU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 RMDRMDRCU(1) ADD

8、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MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(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

9、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MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU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 YAL

10、UACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU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

11、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一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3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

12、机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 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T0T1T2T3T0T1

13、T2 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MIPS1MIPS2=f1f2设某机主频为设某机主

14、频为 8 MHz 每个机器周期平均含每个机器周期平均含 2 个时钟周期个时钟周期 每条指令的指令周期平均有每条指令的指令周期平均有 2.5 个机器周期个机器周期试问：该机的平均指令执行速度为多少试问：该机的平均指令执行速度为多少 MIPS？若机器若机器 主频不变主频不变 每个机器周期平均含每个机器周期平均含 4 个时钟周期个时钟周期 每条指令的指令周期平均有每条指令的指令周期平均有 5 个机器周期个机器周期 则该机的平均指令执行速度又是多少则该机的平均指令执行速度又是多少 MIPS？由此可得出什么结论？由此可得出什么结论？例例 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

15、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) 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

16、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

17、宽度一致T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍2. 异步控制方式异步控制方式无基准时标信号无基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(1) Reset(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) 符合停机开关符合停机开关同步与异步相结合同步与异步相结合五、多级时序系统实例分析五、多级时序系统实例分析1. 8085 的组成的组成A15A8中断控制中断控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E

18、（8） D（8）C（8） B（8） 指令译码指令译码 和和 机器周期机器周期 编码编码ALU定时和控制定时和控制 时钟时钟控制控制状态状态 DMA复位复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线位内部数据总线I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02. 8085 的外部引脚的外部引脚(1) 地址和数据信号地址和数据信号(2) 定时和控制信号定时和控制信号(3) 存储器和存储器和 I/O 初始化初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入入 X1 X2入入 HOLD Ready出出 HLDA出出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 与中断有关的信号与中断有关的信号(5) CPU 初始化初始化(6) 电源和地