寫在前面的話：此系列文章為筆者學習計算機組成原理時的個人筆記，分享出來與大家學習交流。使用教材為唐朔飛第3版，筆記目錄大體與教材相同。

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第九章 控制單元的功能

9.1 微操作命令的分析

控制單元具有發(fā)出各種微操作命令（即控制信號）序列的功能。

完成一條指令分為4個周期：取指周期、間址周期、執(zhí)行周期、中斷周期。

MAR存放欲訪問的存儲單元地址；MDR存放欲寫入存儲器的信息或最近從存儲器中讀出的信息；PC存放現(xiàn)行指令的地址，有計數(shù)功能；IR存放現(xiàn)行指令。

9.1.1 取指周期

取指操作：

①現(xiàn)行指令地址送至存儲器地址寄存器，記作 PC->MAR

②向主存發(fā)送讀命令，啟動主存做讀操作，記作1->R

③將MAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（指令）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀至MDR內(nèi)，記作M(MAR)->MDR

④將MDR的內(nèi)容送至IR，記作MDR->IR

⑤指令的操作碼送至CU譯碼，記作OP(IR)->CU

⑥形成下一條指令的地址，記作 (PC)+1->PC

9.1.2 間址周期

完成取操作數(shù)有效地址的任務：

①將指令的地址碼部分（形式地址）送至存儲器地址寄存器，記作Ad(IR)->MAR

②向主存發(fā)送讀命令，啟動主存做讀操作，記作1->R

③將MAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（有效地址）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀至MDR內(nèi)，記作 M(MAR)->MDR

④將有效地址送至指令寄存器的地址字段，記作MDR->Ad(IR) 。此操作在有些機器中可省略

9.1.3 執(zhí)行周期

（1）非訪存指令

這類指令在執(zhí)行周期不訪問存儲器。

1. ACC累加器清零指令CLA：0->ACC

2. ACC按位取反指令COM：$\overline{ACC}\to ACC$

3. ACC算術(shù)右移一位指令SHR：$L(ACC)\to R(ACC),AC{C}_0\to AC{C}_0$

4. ACC循環(huán)左移一位指令CSL：$R(ACC)\to L(ACC),AC{C}_0\to AC{C}_n$

5. 停機指令STP：計算機中有一個運行標志觸發(fā)器，當G=1時，表示機器運行；當G=O時，表示停機。STP指令在執(zhí)行階段只需將運行標志觸發(fā)器置“0"，記作 0->G

（2）訪存指令

只考慮直接尋址

1. 加法指令 ADD X：ACC+(X)->ACC

2. 存數(shù)指令STA X：ACC->(X)

3. 取數(shù)指令LDA X：(X)->ACC

（3）轉(zhuǎn)移類指令

不訪問存儲器

1. 無條件跳轉(zhuǎn)JMP X：該指令在執(zhí)行階段完成將指令的地址碼部分送至PC的操作，記作Ad(IR)->PC
2. 條件跳轉(zhuǎn)

9.1.4 中斷周期

在執(zhí)行周期結(jié)束時刻，CPU要查詢是否有請求中斷的事件發(fā)生，如果有則進入中斷周期。假設程序斷點存至主存的"0"地址單元，且采用硬件向量法尋找入口地址，則在中斷周期需完成如下操作：

(不是絕對的0地址，是某個給定地址)

①0→MAR,將特定地址“0”送至存儲器地址寄存器。

②1→W。

③PC→MDR，保存斷點。

④MDR→M(MAR)。

⑤向量地址→PC。

⑥0→EINT關(guān)中斷。

如果程序斷點存入堆棧，而且進棧操作是先修改棧指針，后存人數(shù)據(jù)，只需將上述①改為(SP)-1→SP,且SP→MAR。

9.2 控制單元的功能

9.2.1 控制單元的外特性

1. 輸入信號

（1）時鐘

為了使控制單元按一定的先后順序、一定的節(jié)奏發(fā)出各個控制信號，控制單元必須受時鐘控制，即每一個時鐘脈沖使控制單元發(fā)送一個操作命令，或發(fā)送一組并行執(zhí)行的操作命令。

（2）指令寄存器

現(xiàn)行指令的操作碼決定了不同指令在執(zhí)行周期所需完成的不同操作，故指令的操作碼字段是控制單元的輸入信號，它與時鐘配合可產(chǎn)生不同的控制信號。

（3）標志

控制單元有時需依賴CPU當前所處的狀態(tài)（如ALU操作的結(jié)果）產(chǎn)生控制信號。

（4）來自系統(tǒng)總線(控制總線)的控制信號

例如中斷請求、DMA請求等。

2. 輸出信號

（1）CPU內(nèi)的控制信號

主要用于CPU內(nèi)的寄存器之間的傳送和控制ALU實現(xiàn)不同的操作。

（2）送至系統(tǒng)總線(控制總線)的信號

如命令主存或I/O讀寫、中斷響應等。

9.2.3 多級時序系統(tǒng)

（1）機器周期

機器周期可看作所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間，機器周期取決于指令的功能及器件的速度。

機器內(nèi)的各種操作大致可歸屬為對CPU內(nèi)部的操作和對主存的操作兩大類，由于CPU訪存的操作時間較長，因此通常以訪問一次存儲器的時間定為基準時間較為合理，這個基準時間就是機器周期。(在存儲字長等于指令字長的前提下，取指周期也可看作機器周期。)

（2）時鐘周期

在一個機器周期里可完成若干個微操作，每個微操作都需要一定的時間，可用時鐘信號來控制產(chǎn)生每一個微操作命令。

用時鐘信號控制節(jié)拍發(fā)生器，就可產(chǎn)生節(jié)拍。每個節(jié)拍的寬度正好對應一個時鐘周期。在每個節(jié)拍內(nèi)機器可完成一個或幾個需同時執(zhí)行的操作，它是控制計算機操作的最小時間單位。

(時鐘信號的頻率即為CPU主頻)

（3）多級時序系統(tǒng)

一個指令周期包含若干個機器周期，一個機器周期又包含若干個時鐘周期（節(jié)拍）。機器周期、節(jié)拍組成多級時序系統(tǒng)。

主頻：$MHz$

時鐘周期：$\frac{1}{主頻Mhz}=\mu s$ 最小單位

機器周期：$\mu s$ $n$倍時鐘周期

指令周期：$\mu s$ $n$倍機器周期

平均指令執(zhí)行速度：$\frac{1}{指令周期\mu s}=MIPS$

衡量機器速度的指標：

• MIPS（執(zhí)行百萬條指令數(shù)每秒）

• CPI（執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)）

9.2.4 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。

（1）同步控制方式

以一個統(tǒng)一的定寬定距的時鐘(統(tǒng)一基準時標)作為標準，每一個微操作都是在這個時鐘的控制下在指定的節(jié)拍產(chǎn)生。

1. 采用定長的機器周期

每個機器周期中采用完全統(tǒng)一的、具有相同時間間隔和相同數(shù)目的節(jié)拍。

此時以最長的微操作序列和最復雜的微操作作為機器周期的標準。

對于較短的指令會造成時間上的浪費。

2. 采用不定長的機器周期

每個機器周期內(nèi)的節(jié)拍數(shù)可以不等。

對某些復雜的微操作，采用延長機器周期或增加節(jié)拍的辦法來解決。

3. 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法

將機器的大部分指令安排在統(tǒng)一的、較短的機器周期內(nèi)完成，稱為中央控制，而將少數(shù)操作復雜的指令中的某些操作（如乘除法和浮點運算等）采用局部控制方式來完成。

• 局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致。

• 將局部控制節(jié)拍作為中央控制中機器節(jié)拍的延續(xù)，插入中央控制的執(zhí)行周期內(nèi)，使機器以同樣的節(jié)奏工作，保證局部控制和中央控制的同步。

與不定長的機器周期的區(qū)別(個人理解)：

• 不定長中，每個機器周期長度都不是確定的。

• 而在中央控制和局部控制相結(jié)合的方法中，具有一個統(tǒng)一的定長的較短的機器周期，可以在一個周期內(nèi)完成大部分指令；而對于較長的指令，先在中央控制節(jié)拍控制下完成部分指令，若不能在一個周期內(nèi)完成，則增加局部控制節(jié)拍，插入中央控制的執(zhí)行周期，作為中央控制的延續(xù)，再單獨為其運算幾個局部控制節(jié)拍，局部節(jié)拍數(shù)可能是提前確定的(乘法)，也可能不能提前確定(浮點對階)

（2）異步控制方式

不存在定寬定距的基準時鐘，使用應答方式來控制。

CU發(fā)出執(zhí)行某一微操作的控制信號后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回“回答”(或“結(jié)束”)，信號，再開始新的微操作，使 CPU 沒有空閑狀態(tài)，但因需要采用各種應答電路，故其結(jié)構(gòu)比同步控制方式復雜。

（3）聯(lián)合控制方式

同步控制和異步控制相結(jié)合。

對各種不同指令的微操作實行大部分統(tǒng)一(如取指操作)、小部分區(qū)別對待(難以確定結(jié)束時間，如I/O操作)的辦法。

（4）人工控制方式

為了調(diào)機和軟件開發(fā)的需要，在機器面板或內(nèi)部設置一些開關(guān)或按鍵，來達到人工控制的目的。

• Reset(復位)鍵：使計算機處于初始狀態(tài)

• 連續(xù)或單條執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)

• 符合停機開關(guān)：有一個寄存器保存了停機條件，是一個內(nèi)存單元地址，當程序運行到與開關(guān)指示的地址相符時，機器便停止運行，稱為符合停機。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-466498.html

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