計(jì)算機(jī)組成原理唐朔飛PPT 第9章 控制單元的功能

1、9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制單元的功能控制單元的功能完成一條指令分完成一條指令分 4 個(gè)工作周期個(gè)工作周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址線(xiàn)地址線(xiàn)1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)OP（IR） CU二、間址周期二、間址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線(xiàn)

2、地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)IR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器三、執(zhí)行周期三、執(zhí)行周期1. 非訪(fǎng)存指令非訪(fǎng)存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循環(huán)左移循環(huán)左移(3) SHR 算術(shù)右移算術(shù)右移(5) STP 停機(jī)指令停機(jī)指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪(fǎng)存指令訪(fǎng)存指令A(yù)d(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存數(shù)指令存數(shù)指令(1) 加法指令加

3、法指令(3) 取數(shù)指令取數(shù)指令A(yù)d ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令(1) 無(wú)條件轉(zhuǎn)無(wú)條件轉(zhuǎn)(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負(fù)則轉(zhuǎn)）（負(fù)則轉(zhuǎn)）4. 三類(lèi)指令的指令周期三類(lèi)指令的指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期非訪(fǎng)存非訪(fǎng)存 指令周期指令周期直接訪(fǎng)存直接訪(fǎng)存 指令周期指令周期間接訪(fǎng)存間接訪(fǎng)存 指令周期指令周期轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 指令

4、周期指令周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期間接轉(zhuǎn)移間接轉(zhuǎn)移 指令周期指令周期四、中斷周期四、中斷周期程序斷點(diǎn)存入程序斷點(diǎn)存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點(diǎn)程序斷點(diǎn) 進(jìn)棧進(jìn)棧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中斷識(shí)別程序入口地址中斷識(shí)別程序入口地址 M PC( SP ) 1 MAR一、控制單元的外特性一、控制單元的外特性指令寄存器指令寄存器控制單元控制單元 CU時(shí)鐘時(shí)鐘標(biāo)志標(biāo)志CPU 內(nèi)部的控制信號(hào)內(nèi)部的控制信號(hào)到系統(tǒng)總

5、線(xiàn)的控制信號(hào)到系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)系統(tǒng)總線(xiàn)系統(tǒng)總線(xiàn)1. 輸入信號(hào)輸入信號(hào)(1) 時(shí)鐘時(shí)鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來(lái)信號(hào)外來(lái)信號(hào)(3) 標(biāo)志標(biāo)志CU 受時(shí)鐘控制受時(shí)鐘控制控制信號(hào)控制信號(hào) 與操作碼有關(guān)與操作碼有關(guān)OP ( IR ) CUCU 受標(biāo)志控制受標(biāo)志控制INTR 中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求HRQ 總線(xiàn)請(qǐng)求總線(xiàn)請(qǐng)求一個(gè)時(shí)鐘脈沖一個(gè)時(shí)鐘脈沖 發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令如如2. 輸出信號(hào)輸出信號(hào)(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號(hào)內(nèi)的各種控制信號(hào)(2) 送至控制總線(xiàn)的信號(hào)送至控制總線(xiàn)的信號(hào)Ri Rj

6、(PC) + 1 PCINTAHLDA訪(fǎng)存控制信號(hào)訪(fǎng)存控制信號(hào)訪(fǎng)訪(fǎng) IO/ 存儲(chǔ)器的控制信號(hào)存儲(chǔ)器的控制信號(hào)讀命令讀命令寫(xiě)命令寫(xiě)命令中斷響應(yīng)信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例PCIRACCU時(shí)鐘時(shí)鐘ALU控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào)C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 為例為例PCIRCU1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線(xiàn)的方式內(nèi)部總線(xiàn)的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A RPCIRACCU時(shí)鐘時(shí)鐘ALU控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào) M D

7、R M A R二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線(xiàn)的方式內(nèi)部總線(xiàn)的方式C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期IR M D R M D R M A RPCIRACCU時(shí)鐘時(shí)鐘ALU控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào) M D R M A R二、控制信號(hào)舉例二、控制信號(hào)舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線(xiàn)的方式內(nèi)部總線(xiàn)的方式C1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8ACALU控制控制信號(hào)信號(hào) M D R M A R M D RMDRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC CU 發(fā)讀命令發(fā)讀命令 1 R MDR OP（IR） （P

8、C）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線(xiàn)線(xiàn)時(shí)鐘時(shí)鐘2. 采用采用 CPU 內(nèi)部總線(xiàn)方式內(nèi)部總線(xiàn)方式地址線(xiàn)地址線(xiàn)地址線(xiàn)地址線(xiàn)MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2) ADD X 間址周期間址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)時(shí)鐘時(shí)鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線(xiàn)線(xiàn)MDRIRMARi MAR

9、i地址線(xiàn)地址線(xiàn)地址線(xiàn)地址線(xiàn)MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU時(shí)鐘時(shí)鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線(xiàn)線(xiàn)MDROMDRO(3) ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信號(hào)控制信號(hào)MARMDR地址線(xiàn)地址線(xiàn) 地址線(xiàn)地址線(xiàn) 數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACA

10、CACACMARi MARiALUACCU三、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)三、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)1. 機(jī)器周期機(jī)器周期(1) 機(jī)器周期的概念機(jī)器周期的概念(2) 確定機(jī)器周期需考慮的因素確定機(jī)器周期需考慮的因素(3) 基準(zhǔn)時(shí)間的確定基準(zhǔn)時(shí)間的確定所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間每條指令的執(zhí)行每條指令的執(zhí)行 步驟步驟每一步驟每一步驟 所需的所需的 時(shí)間時(shí)間 以完成以完成 最復(fù)雜最復(fù)雜 指令功能的時(shí)間指令功能的時(shí)間 為準(zhǔn)為準(zhǔn) 以以 訪(fǎng)問(wèn)一次存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)一次存儲(chǔ)器 的時(shí)間的時(shí)間 為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)若指令字長(zhǎng)若指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)取指周期取指周期 = 機(jī)器周期機(jī)器周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期

11、（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作每個(gè)微操作需一定的時(shí)間每個(gè)微操作需一定的時(shí)間時(shí)鐘周期是控制計(jì)算機(jī)操作的最小單位時(shí)間時(shí)鐘周期是控制計(jì)算機(jī)操作的最小單位時(shí)間將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的時(shí)間段（時(shí)間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期）用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)

12、機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)一個(gè)指令周期包含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)指令周期包含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期CLK機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） 指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài)) 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))4. 機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器速度

13、與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器的機(jī)器的 主頻主頻 f 越快越快 機(jī)器的機(jī)器的 速度也越快速度也越快在機(jī)器周期所含時(shí)鐘周期數(shù)在機(jī)器周期所含時(shí)鐘周期數(shù) 相同相同 的前提下，的前提下，兩機(jī)兩機(jī) 平均指令執(zhí)行速度之比平均指令執(zhí)行速度之比 等于等于 兩機(jī)主頻之比兩機(jī)主頻之比機(jī)器速度機(jī)器速度 不僅與不僅與 主頻有關(guān)主頻有關(guān) ，還與機(jī)器周期中所含，還與機(jī)器周期中所含時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）（主頻的倒數(shù)）數(shù)數(shù) 以及指令周期中所含以及指令周期中所含的的 機(jī)器周期數(shù)有關(guān)機(jī)器周期數(shù)有關(guān)MIPS1MIPS2=f1f2此外，此外，機(jī)器速度機(jī)器速度還與其它很多因素有關(guān)，比如：還與其它很多因素有關(guān)，比如：主存的運(yùn)行速度、機(jī)器是

14、否配有主存的運(yùn)行速度、機(jī)器是否配有Cache、總線(xiàn)的數(shù)據(jù)、總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸率、硬盤(pán)的運(yùn)行速度、機(jī)器是否采用流水技術(shù)等。傳輸率、硬盤(pán)的運(yùn)行速度、機(jī)器是否采用流水技術(shù)等。四、控制方式四、控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)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 統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo) 的時(shí)序信號(hào)控制的時(shí)序信號(hào)控制CLK機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 定長(zhǎng)定長(zhǎng)

15、的機(jī)器周期的機(jī)器周期以以 最長(zhǎng)最長(zhǎng) 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作為的微操作作為 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期內(nèi)機(jī)器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)相同節(jié)拍數(shù)相同(2) 采用不定長(zhǎng)的機(jī)器周期采用不定長(zhǎng)的機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長(zhǎng)延長(zhǎng)機(jī)器周期內(nèi)機(jī)器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)不等節(jié)拍數(shù)不等(3) 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3

16、T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機(jī)器周期機(jī)器周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節(jié)拍寬度與局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致中央控制的節(jié)拍寬度一致T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍2. 異步控制方式異步控制方式無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步采用采用 應(yīng)答方式應(yīng)答方式3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset(2) 連續(xù)連續(xù) 和和 單條單條 指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3) 符合停機(jī)開(kāi)關(guān)符合停機(jī)開(kāi)關(guān)同

17、步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合五、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)實(shí)例分析五、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)實(shí)例分析1. 8085 的組成的組成A15A8中斷控制中斷控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8） D（8）C（8） B（8） 指令譯碼指令譯碼 和和 機(jī)器周期機(jī)器周期 編碼編碼ALU定時(shí)和控制定時(shí)和控制 時(shí)鐘時(shí)鐘控制控制狀態(tài)狀態(tài) DMA復(fù)位復(fù)位ABR(8)ADBR(8)8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02. 8085 的外部引腳的外部引腳(

18、1) 地址和數(shù)據(jù)信號(hào)地址和數(shù)據(jù)信號(hào)(2) 定時(shí)和控制信號(hào)定時(shí)和控制信號(hào)(3) 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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) 與中斷有關(guān)的信號(hào)與中斷有關(guān)的信號(hào)(5) CPU 初始化初始化(6) 電源和地電源和地出出 INTATrap 重新啟動(dòng)中斷重新啟動(dòng)中斷入入 INTR入入 Reset i