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1、第章第章 控制单元的功能控制单元的功能9.1 9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 9.2 控制单元的功能控制单元的功能9.1 操作命令的分析操作命令的分析完成一条指令分完成一条指令分 4 个工作周期个工作周期取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存储器存储器CPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线9.1 操作命令的分析操作命令的分析OP（IR） CU二、间址周期二、间址周期 M ( MAR )
2、MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线IR存储器存储器指令形式地址指令形式地址有效地址有效地址三、执行周期三、执行周期1. 非访存指令非访存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循环左移循环左移(3) SHR 算术右移算术右移(5) STP 停机指令停机指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G运行标志触发器运行标志触发器2. 访存指令访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) M
3、DR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存数指令存数指令(1) 加法指令加法指令指令说明：指令说明：X为直接寻址；为直接寻址；此指令是将此指令是将X所指向的存储所指向的存储单元中的内容与累加器中的单元中的内容与累加器中的相加，结果存入累加器。相加，结果存入累加器。指令说明：指令说明：X为直接寻址；为直接寻址；此指令是将累加器中的内容此指令是将累加器中的内容送到送到X所指向的存储单元。所指向的存储单元。(3) 取数指令取数指令Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 转移
4、指令转移指令(1) 无条件转无条件转(2) 条件转移条件转移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）（负则转）4. 4. 三类指令的指令周期三类指令的指令周期取指周期取指周期 执行周期执行周期取指周期取指周期 执行周期执行周期取指周期取指周期 执行周期执行周期取指周期取指周期 间址周期间址周期执行周期执行周期非访存非访存 指令周期指令周期直接访存直接访存 指令周期指令周期间接访存间接访存 指令周期指令周期转移转移 指令周期指令周期取指周期取指周期 间址周期间址周期执行周期执行周期间接转移间接转移 指令周期指令周期四、
5、中断周期四、中断周期程序断点存入程序断点存入 “ 0 ” 地址地址程序断点程序断点 进栈进栈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中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC( SP ) 1 MAR9.2 控制单元的功能控制单元的功能一、控制单元的外特性一、控制单元的外特性指令寄存器指令寄存器控制单元控制单元 CU时钟时钟标志标志CPU 内部的控制信号内部的控制信号到系统总线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来自系统
6、总线的控制信号系系统统总总线线1. 输入信号输入信号(1) 时钟时钟(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外来信号外来信号(3) 标志标志CU 受时钟控制受时钟控制控制信号控制信号 与操作码有关与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志控制受标志控制INTR 中断请求中断请求HRQ 总线请求总线请求一个时钟脉冲一个时钟脉冲 发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令如如2. 输出信号输出信号(1) CPU 内的各种控制信号内的各种控制信号(2) 送至控制总线的信号送至控制总线的信号Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA访存控制信号访存控制信号
7、访访 IO/ 存储器的控制信号存储器的控制信号读命令读命令写命令写命令中断响应信号中断响应信号总线响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU 、与、或、与、或时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDRO控制信号控制信号 地址线地址线数据线数据线YiACOALUiZOACiMARiIRiPCOPCiMDRi2. 采用采用 CPU 内部内部总线方式总线方式二、控制信号举例二、控制信号举例MDRMDRCU(1) ADD X 取指周期取指周期 PC CU 发读命令发读命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARA
8、C YALUZ控制信号控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线数据线数据线控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2) ADD X 间址周期间址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 数据线数据线数据线数据线时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDRO
9、MDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDROMDRO(3) ADD X 执行周期执行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信号控制信号MARMDR地址线地址线 地址线地址线 数据线数据线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU例例9.2已知已知单总线计算机算机结构
10、如构如图所示，其中所示，其中M为主存，主存，XR为变址寄存器，址寄存器，EAR为有效有效地址寄存器，地址寄存器，LATCH为锁存器。存器。图中各寄中各寄存器的存器的输入和入和输出均受控制信号控制，如出均受控制信号控制，如PCi表示表示PC的的输入控制。入控制。设指令地址已存于指令地址已存于PC中，中，画出画出ADDX，D（X为变址寄存器址寄存器XR，D为形形式地址）式地址）和和STAD（表示相（表示相对寻址，址，D为相相对位移位移量）两条指令的指令周期信息流程量）两条指令的指令周期信息流程图，并列，并列出相出相应的控制信号序列。的控制信号序列。ADDX，D STAD三、多级时序系统三、多级时序
11、系统1. 机器周期机器周期(1) 机器周期的概念机器周期的概念(2) 确定机器周期需考虑的因素确定机器周期需考虑的因素(3) 基准时间的确定基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行每条指令的执行 步骤步骤每一步骤每一步骤 所需的所需的 时间时间 以完成以完成 最复杂最复杂 指令功能的时间指令功能的时间 为准为准 以以 访问一次存储器访问一次存储器 的时间的时间 为基准为基准若指令字长若指令字长 = 存储字长存储字长取指周期取指周期 = 机器周期机器周期2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 一个机器周期内可完成若干个微操作一个机器
12、周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间每个微操作需一定的时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间将一个机器周期分成若干个时间相等的将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（时间段（节拍、状态、时钟周期节拍、状态、时钟周期）用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多级时序系统多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时
13、序系统一个指令周期包含若干个机器周期一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期一个机器周期包含若干个时钟周期CLK机器周期机器周期 机器周期机器周期 机器周期机器周期 （取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （执行指令）（执行指令） 指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态) 节拍节拍(状态状态)4. 机器速度与机器主频的关系机器速度与机器主频的关系机器的机器的 主频主频 f 越快越快 机器的机器的 速
14、度也越快速度也越快在机器周期所含时钟周期数在机器周期所含时钟周期数 相同相同 的前提下，的前提下，两机两机 平均指令执行速度之比平均指令执行速度之比 等于等于 两机主频之比两机主频之比机器速度机器速度 不仅与不仅与 主频有关主频有关 ，还与机器周期中所含，还与机器周期中所含时钟周期时钟周期（主频的倒数）（主频的倒数）数数 以及指令周期中所含以及指令周期中所含的的 机器周期数有关机器周期数有关MIPS1MIPS2=f1f2例例9.3设某机主某机主频为8MHZ，每个机器周期平，每个机器周期平均包含有均包含有2个个时钟周期，每条指令的指令周周期，每条指令的指令周期平均期平均为2.5个机器周期，个机器
15、周期，试问该机的平均指机的平均指令令执行速度是多少行速度是多少MIPS？若机器主？若机器主频不不变，但每个机器周期平均包含但每个机器周期平均包含4个个时钟周期，每周期，每条指令的指令周期平均条指令的指令周期平均为5个机器周期，个机器周期，则该机的平均指令机的平均指令执行速度又是多少行速度又是多少MIPS？由此可得出什么由此可得出什么结论？四、控制方式四、控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式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 统一基准时标统一基准时标 的时序信号控制的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期机器周期机器
16、周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 定长定长 的机器周期的机器周期以以 最长最长 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作为的微操作作为 标准标准机器周期内机器周期内 节拍数相同节拍数相同(2) 采用不定长的机器周期采用不定长的机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态)机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）T
17、0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延长机器周期内机器周期内 节拍数不等节拍数不等(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍中央控制节拍 T3T0T1中央控制节拍中央控制节拍机器周期机器周期执行周期执行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍2. 异步控制方式异步控制方式无基准时标信号无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用采用 应答方式应答方式3
18、. 联合控制方式联合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset(2) 连续连续 和和 单条单条 指令执行转换开关指令执行转换开关(3) 符合停机开关符合停机开关同步与异步相结合同步与异步相结合五、多级时序系统实例分析五、多级时序系统实例分析1. 8085 的组成的组成A15A8中断控制中断控制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） 指令译码指令译码 和和 机器周期机器周期 编码编码ALU定时和控制定时和控制 时钟时钟控制控制状态状态 DMA复位复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总
19、线位内部数据总线I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02. 8085 的外部引脚的外部引脚(1) 地址和数据信号地址和数据信号(2) 定时和控制信号定时和控制信号(3) 存储器和存储器和 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
20、 outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8(4) 与中断有关的信号与中断有关的信号(5) CPU 初始化初始化(6) 电源和地电源和地出出 INTATrap 重新启动中断重新启动中断入入 INTR入入 Reset in出出 Reset outVCC +5 VVSS 地地12345678910111213141516171819204039383736353433323
21、130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A83. 机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PC outPC+1 Ins IRXPC outPC+1By ZZ outAPort IO PORTACCbytePCLInstrPC
22、LPCHPCHIO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M每个每个 控制控制 信号信号在在 指定机器周期指定机器周期 的的指定节拍指定节拍 T 时刻时刻 发出发出机器周期机器周期 M1 取指令操作码取指令操作码机器周期机器周期 M2 取设备地址取设备地址机器周期机器周期 M3 执行执行 ACC 的内容写入设备的内容写入设备以一条输出指令（以一条输出指令（I/O 写写）为例）为例取指和译码13分时钟时钟功能功能有效控制信号有效控制信号C5MAR(R1)R1out, MARinC6MDRM(MAR)MemR, MDRinEC7A(R0)R0out, AinC8AC(MDR)+(A)MDRout, Add, AcinC9MDR(AC)Acout, MDR inC10M(MAR) MDRMDRoutE, MemWo指令的各个周期中的微操作命令指令的各个周期中的微操作命令组成分成分析。析。o控制信号与控制信号与多多级时序系序系统。o时钟周期、机器周期、指令周期周期、机器周期、指令周期小结小结思考题P393o3、5、6
