計算機組成原理第09章.

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l教學目標：教學目標：旨在使學生進一步理解指令周期、旨在使學生進一步理解指令周期、機器周期、時鐘周期（節(jié)拍）和控制信號的機器周期、時鐘周期（節(jié)拍）和控制信號的關系；進一步體會關系；進一步體會CU在機器運行中所起到的在機器運行中所起到的核心作用。核心作用。 l重點：重點：不同指令不同指令CU應發(fā)出哪些不同的操作命應發(fā)出哪些不同的操作命令；令；CU在取指、間指和中斷周期中，發(fā)出哪在取指、間指和中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令；多級時序系統(tǒng)的作用；些相同的操作命令；多級時序系統(tǒng)的作用；CU控制方式?？刂品绞?。l難點：難點：指令

2、周期、機器周期、時鐘周期與操指令周期、機器周期、時鐘周期與操作命令的關系；中央控制和局部控制相結(jié)合作命令的關系；中央控制和局部控制相結(jié)合的同步控制方式；總線結(jié)構和非總線結(jié)構控的同步控制方式；總線結(jié)構和非總線結(jié)構控制信號的特點。制信號的特點。完成一條指令分完成一條指令分 4 個工作周期個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 地址線地址線1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線二、間址周期二、間址周

3、期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR存儲器存儲器三、執(zhí)行周期三、執(zhí)行周期1. 非訪存指令非訪存指令(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 算術右移算術右移(5) STP 停機指令停機指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪存指令訪存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC

4、) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存數(shù)指令存數(shù)指令(1) 加法指令加法指令(3) 取數(shù)指令取數(shù)指令Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令(1) 無條件轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn)(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負則轉(zhuǎn)）（負則轉(zhuǎn)）4. 三類指令的指令周期三類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

5、指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期非訪存非訪存 指令周期指令周期直接訪存直接訪存 指令周期指令周期間接訪存間接訪存 指令周期指令周期轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 指令周期指令周期四、中斷周期四、中斷周期程序斷點存入程序斷點存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點程序斷點 進棧進棧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( SP ) 1 MAR中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址 M PC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

6、元 CU時鐘時鐘標志標志CPU 內(nèi)部的控制信號內(nèi)部的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線1. 輸入信號輸入信號(1) 時鐘時鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來信號外來信號(3) 標志標志CU 受時鐘控制受時鐘控制控制信號控制信號 與操作碼有關與操作碼有關OP ( IR ) CUCU 受標志控制受標志控制INTR 中斷請求中斷請求HRQ 總線請求總線請求一個時鐘脈沖一個時鐘脈沖 發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令如如2. 輸出信號輸出信號(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號內(nèi)

7、的各種控制信號(2) 送至控制總線的信號送至控制總線的信號Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號訪存控制信號訪訪 IO/ 存儲器的控制信號存儲器的控制信號讀命令讀命令寫命令寫命令中斷響應信號中斷響應信號總線響應信號總線響應信號MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或二、控制信號舉例二、控制信號舉例PCIRACCU時鐘時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 為例為例 M D RPC M A RIRCU1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式二、控制信號舉例二、控制

8、信號舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式PCIRACCU時鐘時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號C1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期 M D R M A R M D RIRPCIRACCU時鐘時鐘ALU M D R M A R控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號二、控制信號舉例二、控制信號舉例1. 不采用不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式內(nèi)部總線的方式C1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制控制信號信號MDRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC C

9、U 發(fā)讀命令發(fā)讀命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信號控制信號IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制信號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時鐘時鐘2. 采用采用 CPU 內(nèi)部總線方式內(nèi)部總線方式地址線地址線地址線地址線MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIR(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)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號控制信號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi)

10、 部部 總總 線線MDRIRMARi MARi地址線地址線地址線地址線MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR 時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線MDROMDRO(3) ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信號控制信號MARMDR地址線地址線 地址線地址線 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUAL

11、UACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC三、多級時序系統(tǒng)三、多級時序系統(tǒng)1. 機器周期機器周期(1) 機器周期的概念機器周期的概念(2) 確定機器周期需考慮的因素確定機器周期需考慮的因素(3) 基準時間的確定基準時間的確定所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間每條指令的執(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 時間時間 以完成以完成 最復雜最復雜 指令功能的時間指令功能的時間 為準為準 以以 訪問一次存儲器訪問一次存儲器 的時間的時間 為基準為基準若指令字長若指令字長 = 存儲字長存儲字長取指周期取指周期 = 機

12、器周期機器周期2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作每個微操作需一定的時間每個微操作需一定的時間用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令將一個機器周期分成若干個時間相等的將一個機器周期分成若干個時間相等的時間段（時間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期）CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)機

13、器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)一個指令周期含若干個機器周期一個指令周期含若干個機器周期一個機器周期包含若干個時鐘周期一個機器周期包含若干個時鐘周期CLK機器周期機器周期 機器周期機器周期 機器周期機器周期 （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機器周期機器周期機器周期機器周期（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))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序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令

14、序列所用的時序控制方式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)一基準時標統(tǒng)一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制CLK機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（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 完全統(tǒng)一完全統(tǒng)一 的機器周期和節(jié)拍的機器周期和節(jié)拍以以 最長最長 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 標準標準(2) 采用不同節(jié)拍的機器周期采用不同節(jié)拍的機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指

15、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))機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長(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T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機器周期機器周期執(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2. 異步控制方式異步控制方式無

16、基準時標信號無基準時標信號無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步采用采用 應答方式應答方式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)換開關指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(3) 符合停機開關符合停機開關同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合五、多級時序系統(tǒng)實例分析五、多級時序系統(tǒng)實例分析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 機器周期機器周期

17、 編碼編碼ALU定時和控制定時和控制 時鐘時鐘控制控制狀態(tài)狀態(tài) DMA復位復位ABR(8)ADBR(8)8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAResetAD7AD02. 8085 的外部引腳的外部引腳(1) 地址和數(shù)據(jù)信號地址和數(shù)據(jù)信號(2) 定時和控制信號定時和控制信號(3) 存儲器和存儲器和 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 WR1234567891011121314151617

18、1819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 與中斷有關的信號與中斷有關的信號(5) CPU 初始化初始化(6) 電源和地電源和地出出 INTATrap 重新啟動中斷重新啟動中斷入入 INTR入入 Reset in出出 Reset outVcc +5VVs

19、s 地地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VssINTRVccHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A83. 機器周期和節(jié)拍（狀態(tài)）與控制信號的關系機器周期和節(jié)拍（狀態(tài)）與控制信號的關系T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PC outPC+1 In

20、s IRXPC outPC+1By ZZ outAPort IO PORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M小結(jié)小結(jié)每個每個 控制控制 信號信號在在 指定機器周期指定機器周期 的的指定節(jié)拍指定節(jié)拍 T 時刻時刻 發(fā)出發(fā)出機器周期機器周期 M1 取指令操作碼取指令操作碼機器周期機器周期 M2 取設備地址取設備地址機器周期機器周期 M3 執(zhí)行執(zhí)行 ACC 的內(nèi)容寫入設備的內(nèi)容寫入設備以一條輸出指令（以一條輸出指令（IO 寫寫）為例）為例l9.1設設CPU內(nèi)有這些部件：內(nèi)有這些部件：PC、IR、MAR、MDR、AC

21、、CU。（1）寫出取指周期的全部微操作。）寫出取指周期的全部微操作。（2）寫出減法指令）寫出減法指令“SUB X”、取數(shù)指令、取數(shù)指令“LDA X”、存數(shù)指令、存數(shù)指令“STA X”（X均為主存地址）在均為主存地址）在執(zhí)行階段所需的全部微操作。執(zhí)行階段所需的全部微操作。（3）當上述指令為間接尋址時，寫出執(zhí)行這些）當上述指令為間接尋址時，寫出執(zhí)行這些指令所需的全部微操作。指令所需的全部微操作。（4）寫出無條件轉(zhuǎn)移指令）寫出無條件轉(zhuǎn)移指令“JMP Y”和結(jié)果溢出和結(jié)果溢出則轉(zhuǎn)指令則轉(zhuǎn)指令“BAO，Y”在執(zhí)行階段所需的全部在執(zhí)行階段所需的全部微操作。微操作。 l9.5設機器設機器A的主頻為的主頻為8

22、MHz，機器周期含，機器周期含4個時個時鐘周期，且該機的平均指令執(zhí)行速度是鐘周期，且該機的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機的平均指令周期和機器周，試求該機的平均指令周期和機器周期，每個指令周期中含幾個機器周期？如果機期，每個指令周期中含幾個機器周期？如果機器器B的主頻為的主頻為12MHz，且機器周期也含，且機器周期也含4個時個時鐘周期，試問鐘周期，試問B機的平均指令執(zhí)行速度為多少機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?l9.6 設某機主頻為設某機主頻為8MHz，每個機器周期平均含，每個機器周期平均含2個時鐘周期，每條指令平均有個時鐘周期，每條指令平均有4個機器周期，個機器周期，試問該機的

23、平均指令執(zhí)行速度為多少試問該機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若機器主頻不變，但每個機器周期平均含若機器主頻不變，但每個機器周期平均含4個個時鐘周期，每條指令平均有時鐘周期，每條指令平均有4個機器周期，則個機器周期，則該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPS？由？由此可得出什么結(jié)論？此可得出什么結(jié)論？l9.8計算機的主頻為計算機的主頻為6MHz，各類指令的平均執(zhí)，各類指令的平均執(zhí)行時間和使用頻度如下表所示，試計算該機的行時間和使用頻度如下表所示，試計算該機的速度（單位用速度（單位用MIPS表示），若上述表示），若上述CPU芯片芯片升檔為升檔為10MHz，則該機的速度又為多少？，則該機的速度又為多少？l9.9試比較同步控制、異步控制和聯(lián)合控制的區(qū)試比較同步控制、異步控制和聯(lián)合控制的區(qū)別。別。l9.11設設CPU內(nèi)部結(jié)構如課本圖內(nèi)部結(jié)構如課本圖9.4所示，此外還所示，此外還設有設有B、C、D、E、H、L六個寄存器，它們各六個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，并分別自的輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，并分別受控制信號控制（如受控制信號控制（如Bi為寄存器為寄存器B的輸入控制；的輸入控制；Bo為為B的輸出控制）。要求從取指令開始，寫的輸出控制）。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的