??微操作命令的分析

假設(shè)完成一條指令分為4個工作周期：取指周期、間址周期、執(zhí)行周期、中斷周期

??取指周期

• 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（控制單元）譯碼，記作OP(IR) → CU
• ⑥形成下一條指令的地址，記作(PC)+1 → PC
  

??間址周期

• 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(jī)器中可省略。
  

??執(zhí)行周期

不同指令執(zhí)行周期的微操作是不同的，下面分別討論非訪存指令、訪存指令和轉(zhuǎn)移類指令的微操作，附不同指令的指令周期

??非訪存指令

??訪存指令??

• ??加法指令（該指令在執(zhí)行階段需要完成累加器內(nèi)容與對應(yīng)X地址單元的內(nèi)容相加，結(jié)果送累加器的操作）

  • 將指令的地址碼部分送至存儲器地址寄存器，記作Ad(IR) → MAR
  • 向主存發(fā)讀命令，啟動主存做讀操作，記作1 → R
  • 將MAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（操作數(shù)）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀至MDR內(nèi)，記作M(MAR) → MDR
  • 給ALU發(fā)送加命令，將ACC的內(nèi)容和MDR的內(nèi)容相加，結(jié)果存于ACC，記作(ACC) + (MDR) → ACC
    

• ??存數(shù)指令（該指令在執(zhí)行階段需將累加器ACC的內(nèi)容存于主存的X地址單元中）

  • 將指令的地址碼部分送至存儲器地址寄存器，記作Ad(IR) → MAR
  • 向主存發(fā)寫命令，啟動主存做寫操作，記作1 → W
  • 將累加器內(nèi)容送至MDR，記作ACC → MDR
  • 將MDR的內(nèi)容（通過數(shù)據(jù)總線）寫入MAR（通過地址總線）所指的內(nèi)存單元中，記作MDR → M(MAR)
    

• ??取數(shù)指令（該指令在執(zhí)行階段需將主存X地址單元的內(nèi)容取至累加器ACC中）

  • 將指令的地址碼部分送至存儲器地址寄存器，記作Ad(IR) → MAR
  • 向主存發(fā)讀命令，啟動主存做讀操作，記作1 → R
  • 將MAR（通過地址總線）所指的主存單元中的內(nèi)容（操作數(shù)）經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀至MDR內(nèi)，記作M(MAR) → MDR
  • 將MDR的內(nèi)容送至ACC，記作MDR → ACC
    

??轉(zhuǎn)移指令

??中斷周期

• ①將特定地址“0”送至存儲器地址寄存器，記作0 → MAR（如果程序斷點(diǎn)存入堆棧，而且進(jìn)棧操作是先修改棧指針，后存入數(shù)據(jù)，則記作(SP)-1 → MAR）
• ②向主存發(fā)寫命令，啟動存儲器作寫操作，記作1 → W
• ③將PC的內(nèi)容（程序斷點(diǎn)）送至MDR，記作PC → MDR
• ④將MDR的內(nèi)容（程序斷點(diǎn)）通過數(shù)據(jù)總線寫入MAR（通過地址總線）所指示的主存單元（0地址單元）中，記作MDR → M（MAR）
• ⑤將向量地址形成部件的輸出送至PC，記作向量地址 → PC，為下一條指令的取值周期做準(zhǔn)備
• ⑥關(guān)中斷，將允許中斷觸發(fā)器清零，記作0 → EINT
  

??上述所有操作都是在控制單元發(fā)出的控制信號（即微操作命令）控制下完成的

??控制單元的功能

??控制單元的外特性

??輸入信號

• 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)出各種控制信號，控制單元必須受時鐘控制
  • 每一個時鐘脈沖使控制單元發(fā)送一個操作命令，或發(fā)送一組需要同時執(zhí)行的操作命令
• 指令寄存器
  • OP（IR）→ CU
  • 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（控制信號與操作碼有關(guān)）
• 標(biāo)志
  • 控制單元有時需依賴CPU當(dāng)前所處的狀態(tài)產(chǎn)生控制信號，即CU受標(biāo)志控制
• 外來信號
  • 如中斷請求、DMA請求

??輸出信號

• 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(shí)現(xiàn)不同的操作
  

• 送至系統(tǒng)總線（控制總線）的信號
  

??控制信號舉例

??不采用 CPU 內(nèi)部總線的方式

圖中未畫出每個寄存器的輸入或輸出控制門，但標(biāo)出了這些門電路的控制信號$C_i$

• 取指周期
  
• 間址周期
  
• 執(zhí)行周期
  

??采用CPU內(nèi)部總線方式??

• 以下圖中每個小圈處都有一個控制信號，它控制著寄存器到總線或總線到寄存器之間的傳送
  • $I{R}_i$表示控制從內(nèi)部總線到指令寄存器的輸入控制門
  • $P{C}_o$表示控制從程序計(jì)數(shù)器到內(nèi)部總線的輸出控制門
  • 下標(biāo)為i表示輸入(in)控制
  • 下標(biāo)為o表示輸出(out)控制
    
• 與不采用CPU內(nèi)部總線的方式相比，上圖中多了兩個寄存器Y和Z ?
  • 因?yàn)?strong>ALU是一個組合邏輯電路，在其運(yùn)算過程中必須保持兩個輸入端不變，其中一個輸入端可以從Y寄存器中獲得，另一個可以從內(nèi)部總線上獲得。當(dāng)CPU內(nèi)有多個通用寄存器時，由于設(shè)置了寄存器Y，可實(shí)現(xiàn)任意兩個寄存器之間的算邏運(yùn)算。
  • 此外，ALU的輸入不能直接與內(nèi)部總線相連，因?yàn)槠漭敵鲇謺ㄟ^總線反饋到ALU的輸入，影響運(yùn)算的正確性，故用寄存器Z暫存運(yùn)算結(jié)果，再根據(jù)需要送至指定的目標(biāo)。

• 取指周期
  
  

• 間址周期
  
  

• 執(zhí)行周期
  
  

??微操作例題??

• 非總線方式
  
• 總線方式

第七章知識回顧

??微操作模板集合

微操作指令解題可依據(jù)以下模板，再綜合題目要求（1 → R/W一般不寫）

• 取指周期
  

• 間址周期

  

• ADD執(zhí)行周期

  

  Z是鎖存器

• STA執(zhí)行周期
  

• LDA執(zhí)行周期
  

??多級時序系統(tǒng)

??機(jī)器周期

• 機(jī)器周期的概念：所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)時間
• 確定機(jī)器周期需考慮的因素：每條指令的執(zhí)行步驟；每一步驟所需的時間
• 基準(zhǔn)時間的確定
  • 以完成最復(fù)雜指令功能的時間為準(zhǔn)
  • 以訪問一次存儲器的時間為準(zhǔn)
  • 若指令字長 = 存儲字長，取指周期 = 機(jī)器周期

??時鐘周期（節(jié)拍）

• 一個機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個微操作，每個微操作需要一定的時間
• 將一個機(jī)器周期分成若干時間相等的時間段，即為時鐘周期（節(jié)拍）
• 時鐘周期是控制計(jì)算機(jī)操作的最小單位時間
• 用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令

指令周期、機(jī)器周期和時鐘周期小結(jié)?

• CPU每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期
• 所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)時間叫機(jī)器周期
  • 機(jī)器周期是在同步控制的機(jī)器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作所需時間，通常安排機(jī)器周期長度等于主存周期
• 將一個機(jī)器周期分成若干時間相等的時間段，即為時鐘周期（節(jié)拍）
  • 時鐘周期是指計(jì)算機(jī)主時鐘的周期時間，它是計(jì)算機(jī)運(yùn)行時最基本的時序單位，對應(yīng)一個微操作所需時間
• 三者之間關(guān)系是：（套娃??）
  • 時鐘周期是基本動作單位
  • 一個機(jī)器周期通常由多個時鐘周期組成
  • 而一個指令周期可能包含有一個或多個機(jī)器周期

??多級時序系統(tǒng)

• 機(jī)器周期、節(jié)拍組成多級時序系統(tǒng)
• 一個指令周期包含若干個機(jī)器周期
• 一個機(jī)器周期包含若干個時鐘周期
  

??機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系

??相關(guān)計(jì)算

??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

??同步控制方式

• 采用定長的機(jī)器周期
  • 以最長的微操作序列和最繁的微操作作為標(biāo)準(zhǔn)
  • 機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)相同
• 采用不定長的機(jī)器周期
  • 機(jī)器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)不等
    
• 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法
  

??異步控制方式

• 無基準(zhǔn)時標(biāo)信號
• 無固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時鐘同步
• 采用應(yīng)答方式

??聯(lián)合控制方式

• 同步與異步相結(jié)合
• 大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待

??人工控制方式

• Reset
• 連續(xù)和單條指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)
• 符合停機(jī)開關(guān)

??小結(jié)

??劃個重點(diǎn)??

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-537599.html

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