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1、计算机组成原理计算机组成原理第九章 控制单元的功能9.1 操作命令的分析9.2 控制单元的功能重点：掌握典型操作命令的运行过程理解控制信号的作用方式理解CPU的不同控制方式难点：多级时序系统计算机组成原理计算机组成原理9.1 操作命令的分析完成一条指令分 4 个工作周期取指周期间址周期执行周期中断周期计算机组成原理计算机组成原理一、取指周期PC MAR 地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMARPCIR存储器CPU地址总线数据总线控制总线9.1 操作命令的分析计算机组成原理计算机组成原理二、间址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd
2、( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器计算机组成原理计算机组成原理三、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 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G计算机组成原理计算机组成原理2. 访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)
3、STA XADD X(2) 存数指令(1) 加法指令计算机组成原理计算机组成原理(3) 取数指令Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 转移指令(1) 无条件转(2) 条件转移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）计算机组成原理计算机组成原理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 指令周期计算机组成原理计算机组成原理四、中断周期程序断点存入 “ 0 ” 地址程序断
4、点 进栈0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址 PC0 EINT（置“0”）0 EINT（置“0”）向量地址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W( SP ) 1 MAR中断识别程序入口地址 M PC计算机组成原理计算机组成原理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计算机组成原理计算机组成原理1. 输入信号(1) 时钟(2) 指令寄存器(4) 系统总线控制信号(3) 标志CU 受时钟控制，每个操作需要一定的 时间。操作码结合时钟产生控制信号OP ( IR
5、 ) CUCU 受CPU状态标志的控制INTR 中断请求 HRQ 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：计算机组成原理计算机组成原理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：Ri Rj (PC) + 1 PCINTAHLDA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MREQIO/MRDWRALU 、与、或计算机组成原理计算机组成原理二、控制信号举例PCIRACCU时钟ALUMDRMAR控制信号标志控制 信号C0C1C2C3C4取指周期以 ADD XADD X 为例MDRPCMARIRCU1. 不采
6、用不采用 CPU CPU 内部总线内部总线的方式计算机组成原理计算机组成原理二、控制信号举例1. 不采用不采用 CPU CPU 内部总线内部总线的方式PCIRACCU时钟ALUMDRMAR控制信号标志控制 信号C1C2C3C5ADD XADD X 间址周期MDRMARMDRIR计算机组成原理计算机组成原理PCIRACCU时钟ALUMDRMAR控制信号标志控制 信号二、控制信号举例1. 不采用不采用 CPU CPU 内部总线内部总线的方式C1C2C5ADD XADD X 执行周期C7C6C8MARACALUMDRMDR控制 信号计算机组成原理计算机组成原理MDRMDRCU(1) ADD X 取指
7、周期 PC CU 发读命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARACYALUZ控制信号IRiIRiPCO PCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线控制信号CPU内部总线时钟2. 采用采用 CPU CPU 内部总线方式内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIR计算机组成原理计算机组成原理(2) ADD X 间址周期 MDR 1 R MDR有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 数据线数据线时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU内部总线MDRIRMARiMARi地址线地址线MARIRiIRiMARM
8、DRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址 MAR 计算机组成原理计算机组成原理时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号CPU内部总线MDROMDRO(3) ADD X 执行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信号MARMDR地址线地址线 数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDRO MDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYiYALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZO ZOACiACiACACACACMARiMARiALUAC计算机组成原理计算机组成原理三、多级时序系统 1. 机器周期(1) 机器
9、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A:每条指令的执行 步骤B: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 = 存储字长取指周期 = 机器周期计算机组成原理计算机组成原理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用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令它们的关系如下图所示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）：控制计算机操作的最小时间单位，即主频的：控制计算机操作的最小时间单位，即主频的 倒数，也称为倒数
10、，也称为T T状态时间状态时间计算机组成原理计算机组成原理CLKT0T1T2T3时钟周期2. 时钟周期（节拍、状态） 机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3计算机组成原理计算机组成原理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含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期，如：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T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期 （取指令）（执行指令） 指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍 (状态)节拍 (状态)例题：Page386 9.3计算机组成原理计
11、算机组成原理四、控制方式如何产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1. 1. 同步控制方式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T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用 完全统一 的机器周期和节拍以 最长 的 微操作序列 和 最繁 的微操作作为 标准计算机组成原理计算机组成原理(2) 采用不同节拍的机器周期机器周期机器周期 （取指令）（执行指令） 指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍 (状态)机器周期机器周期 （取指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长
12、计算机组成原理计算机组成原理(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍T*T*T*局部控制节拍T3T0T1中央控制节拍机器周期执行周期指令周期取指周期T0T1T2T3大部分指令安排统一较短机器周期内中央控制；少数复杂操作由局部控制 。局部控制插入中央控制，其节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致。计算机组成原理计算机组成原理2. 2. 异步控制方式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3. 3. 联合控制方式联合控制方式4. 4. 人工控制方式人工控制方式调机和软件开发用调机和软件开发用(1) Reset(2) 连续 和 单条
13、 指令执行转换开关(3) 符合停机开关同步与异步相结合计算机组成原理计算机组成原理五、多级时序系统实例分析 1. 8085 的组成A15A8中断控制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） 指令译码和机器周期编码ALU定时和控制时钟控制状态 DMA复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTA INTRSIDSODCLK ReadyRD WR ALEIO/MHLDAResetAD7AD0计算机组成原理计算机组成原理2. 8085 的外部引脚(1) 地址和数据信号(2) 定时和控制信号(
14、3) 存储器和 I/O 初始化A15A8 AD7AD0SID 串行输入 SOD串行输出入 ： X1 X2入： HOLD Ready出 ： HLDA出 ： CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2040 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21X1 X2 Reset out SOD SID Trap RST7.5 RST6.5 RST5.5INTA AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 VssINTRVcc HOLD HLDA CLK(out) Rsest in Ready IO/M S1 RD WR ALE S0 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8计算机组成原理计算机组成原理(4) 与中断有关的信号(5) CPU 初始化(6) 电源和地出： INTATrap 重新启动中断RST5.5 6.5 7.5入 INTR入 Reset in出 Reset outVcc +5VVss 地1 2 3 4 5 6
