ch9_控制单元

1. 微操作命令的分析

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

1.1 取指周期

PC—> MAR —>地址线;
1—> R
M ( MAR ) —> MDR
MDR—> IR
OP（IR）—> CU
( PC ) + 1 —> PC

1.2 间址周期

1.3 　执行周期

1. 非访存指令

指令表示	作用	执行操作
CAL	清零	0—> ACC
COM	取反	ACC非　—> ACC
SHR	算术右移	L(ACC) —> R(ACC), ACC_0 --> ACC_0
CSL	循环左移	R(ACC) —> L(ACC), ACC_0 —> ACC_n
STP	停机指令	0 —> G

2. 访存指令

加法指令	ADD X
	Ad(IR) —> MAR
	1 —> R
	M(MAR) —> MDR
	(ACC) + (MDR) —> ACC

存数指令	STA X
	Ad(IR) —> MAR
	1—> W
	ACC —> MDR
	MDR —> M(MAR)

取数指令	LDA X
	Ad(IR) —> MAR
	1–> R
	M(MAR) —> MDR
	MDR —> ACC

4. 转移指令

无条件转移	JMP X
	Ad(IR) --> PC

条件转移	BAN X （负数跳转）
	A_0* Ad(IR) + A_0(PC) --> PC

三类指令的指令周期

1. 非访存 指令周期: 取指周期　+ 执行周期

2. 直接访存　指令周期: 取指周期　+ 执行周期
   间接访存　指令周期：　取指周期+ 间址周期　+ 执行周期；

3. 转移指令周期: 取指周期　+ 　执行周期

4. 间接转移指令周期: 　取指周期+ 间址周期　+ 执行周期；

1.4　中断周期

程序断点存入　“０”　地址	程序断点进栈；
0–> MAR	sp -1 —> MAR
1 --> W	1 --> W
PC —> MDR	pc —> MDR
MDR —> MAR	MDR —> MAR

中断识别程序入口地址　M–> PC;
0 --> EINT （置　0）, 0—> EINT （置0）

2. 控制单元的功能

2.1 控制单元的外特性

2.1.1 输入信号

1. 时钟：　cu 受到时钟控制，一个时钟脉冲，　发一个操作命令或一组需要同时执行的操作命令；

2. 指令寄存器， op(IR) —> CU
   控制信号与操作码有关;

3. 标志
   CU, 受到　标志控制

4. 外来信号
   如 INTR, 中断请求；
   HQR, 总线请求;

2.1.2　输出信号

1. cpu 内部的各种控制信号
   $R_i$ —> $R_j$;

pc +1 --> pc;
ALU , +, -, 与，或，　非；

2. 送至控制总线的信号；

信号	作用
MREQ 非	访存控制信号
IO非/M	访问io/　存储器的控制信号
RD非	读命令
WR　非	写命令
INTA	中断响应信号
HLDA	总线响应信号

2.2　控制信号举例

2.2.1 不采用 CPU 内部总线的方式

2.2.2 采用 CPU 内部总线方式

2.3　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

2.3.1 机器周期

机器周期的概念:
所有指令执行过程中的一个基准时间;

(2) 确定机器周期需考虑的因素
每条指令的执行 步骤
每一步骤 所需的 时间;

(3) 基准时间的确定
• 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

2.3.2时钟周期

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;

将一个机器周期分成若干个时间相等的
时间段（节拍、状态、时钟周期）

时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间;

用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令;

2.3.3 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

2.3.4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

$$\frac{MIPS1}{MIPS2}=\frac{f1}{f2}$$

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;

3 控制方式

产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式

3.1 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;

1. 采用 定长 的机器周期
   以 最长 的微操作序列和 最复杂 的微操作作为 标准;
   机器周期内 节拍数相同;

2. 采用不定长的机器周期
   机器周期内 节拍数不等

3. 采用中央控制和局部控制相结合的方法

3.2 异步控制方式

1. 无基准时标信号
2. 无固定的周期节拍和严格的时钟同步
3. 采用 应答方式

3.3 联合控制方式

同步与异步相结合;

3.4人工控制方式

(1) Reset
(2) 连续 和 单条 指令执行转换开关
(3) 符合停机开关