计算机原理第九章

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第9章控制单元的功能,9.1 微操作命令的分析,9.2 控制单元的功能,9.1 微操作命令的分析,一、取指周期,PC MAR,地址线,1 R,M(MAR)MDR,MDR IR,(PC)+1 PC,+1,MDR,CU,MAR,PC,IR,存储器,CPU,地址总线,数据总线,控制总线,OP（IR）CU,二、间址周期,M(MAR)MDR,1 R,Ad(IR)MAR,M

2、DR Ad(IR),指令形式地址 MAR,MDR,CU,MAR,CPU,地址总线,数据总线,控制总线,IR,存储器,三、执行周期,1.非访存指令,(1),CLA,清A,(2),COM,取反,(4),CSL,循环左移,(3),SHR,算术右移,(5),STP,停机指令,0 ACC,ACC ACC,L(ACC)R(ACC),ACC,0,ACC,0,R(ACC)L(ACC),ACC,0,ACC,n,0 G,2.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

3、令,(1)加法指令,(3)取数指令,Ad(IR),MAR,1 R,M(MAR),MDR,MDR ACC,3.转移指令,(1)无条件转,(2)条件转移,Ad(IR),PC,A,0,Ad(IR)+A,0,(PC)PC,LDA X,JMP X,BAN X,（负则转）,4.三类指令的指令周期,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,非访存,指令周期,直接访存,指令周期,间接访存,指令周期,转移,指令周期,取指周期,间址周期,执行周期,间接转移,指令周期,四、中断周期,程序断点存入“0”地址,程序断点进栈,0 MAR,1 W,PC MDR,MDR M(M

4、AR),向量地址 PC,0 EINT,（置“0”）,0 EINT,（置“0”）,向量地址 PC,MDR M(MAR),PC MDR,1 W,中断识别程序入口地址 M PC,(SP),1,MAR,本 节 结 束,9.2 控制单元的功能,一、控制单元的外特性,指令寄存器,控制单元,CU,时钟,标志,CPU 内部的控制信号,到系统总线的控制信号,来自系统总线的控制信号,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（控制总线）的控制信号,(3)标志,CU 受时钟控制,控制信号与操作码有关,OP(IR)CU,CU 受标志控制，标志也是 CU 的输入信号,INTR 中断请求,H

5、RQ 总线请求,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,如,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,/,存储器的控制信号,读命令,写命令,中断响应信号,总线响应信号,MREQ,IO/M,RD,WR,ALU 、与、或,二、多级时序系统,1.机器周期,(1)机器周期的概念,(2)确定机器周期需考虑的因素,(3)基准时间的确定,所有指令执行过程中的一个基准时间,每条指令的执行步骤,每一步骤所需的时间,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=

6、存储字长,取指周期=机器周期,不合理,合理,2.时钟周期,（节拍、状态）,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,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,时间段（,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,CLK,T,0,T,1,T,2,T,3,时钟周期,机器周期,机器周期,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,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,CLK,机器周期,机器周期,机器周期,（取指令）,（取有效地

7、址）,（执行指令）,指令周期,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,3,机器周期,机器周期,（取指令）,（执行指令）,指令周期,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,节拍,(状态),节拍,(状态),定长,不定长,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,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,MIPS,1,MIPS,2,=,f,1,f,2,机器速度还与

8、主存运行速度、,Cache,、总线数据传输速率、硬盘运行速度、是否采用指令流水等相关,三、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,任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制,CLK,机器周期,机器周期,机器周期,（取指令）,（取有效地址）,（执行指令）,指令周期,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,3,(1)采用定长的机器周期,以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准,机器周期内节拍数相同，对短指令造成时间浪费,(2)采用不定长的机器周期,机器周期,机器周期,（取指令）,（执行指令）,指令周期,T,0,T,1,

9、T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,节拍,(状态),机器周期,机器周期,（取指令）,（执行指令）,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,T,3,T,T,延长,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,T,0,T,1,T,2,T,3,T,0,T,1,T,2,中央控制节拍,T,3,T,0,T,1,中央控制节拍,机器周期,执行周期,指令周期,取指周期,T,0,T,1,T,2,T,3,局部控制的节拍宽度与,中央控制的节拍宽度一致,T,*,T,*,T,*,局部控制节拍,2.异步控制方式,无基准时标信号,无固定的周期节拍和严格的时钟同步,采用应答方式，结构较复杂,3.联合控制方式,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,同步与异步相结合,小结,每个控制信号在指定机器周期的指定节拍,T,时刻发出,机器周期 M,1,取指令操作码,机器周期 M,2,取设备地址,机器周期 M,3,执行 ACC 的内容写入设备,以一条输出指令（,I/O 写,）为例,本 章 结 束,