第9章 控制单元的功能

9.1 微操作命令的分析

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。

一、取指周期

要想把指令从内存单元取出，就要执行下面的操作：PC（指令地址）->MAR->地址线，最后送到存储器。控制单元向存储器发出读命令，读出的数据通过数据总线送到MDR中，后送到IR当中。然后IR送到CU进行译码知道要做什么指令。然后对PC进行加1。

图1.1 取指周期

二、间址周期

首先将指令的形式地址（IR当中的地址码部分）送到MAR，再通过MAR送到再送到存储器的地址总线上，要实现这个操作，控制器要发出IR的地址码部分送到MAR的控制信号，然后CU向存储器发出读操作命令，存储器接收到命令和地址以后，读出指令的真实地址，然后传输给MDR。被取出的地址进而送到IR寄存器的地址码部分，这个时候地址码就是操作数的真实地址，就结束了。

图1.2 间址周期

三、执行周期

1.非访存指令

2.访存指令

（1）加法指令

（2）存数指令

（3）取数指令

3.转移指令

（1）无条件转移指令

（2）条件转移指令（只举了一个例子）

4.三类指令的指令周期

如图1.3所示。

图1.3 三类指令的指令周期

四、中断周期

保存断点的方法（以此为例分析）：

9.2 控制单元的功能

一、控制单元的外特性

如图2.1所示。

图2.1 控制单元的外特性

1.输入信号

（1）时钟

完成每个操作都需要占用一定的时间，各个操作是由先后顺序的。为了能够使控制单元按一定的先后顺序、一定的节奏发出各个控制信号，CU必须受时钟控制。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。

（2）指令寄存器

OP(IR)->CU：这个微指令代表一个译码操作。

保存了要执行的那条指令。现行指令的操作码决定了不同指令在执行周期所需完成的不同操作，故指令的操作码字段是控制单元的输入信号，它与时钟配合可产生不同的控制信号。

（3）标志

CU受标志控制

（4）外来信号

如 INTR（中断请求）、HRQ（总线请求）等。

2.输出信号

（1）CPU内部的各种控制信号

（2）送至控制总线的信号

例如访存控制信号、访IO/存储器的控制信号、读命令、写命令、中断响应信号、总线响应信号等。

二、控制信号举例

1.不采用CPU内部总线的方式

（1）取指周期

C0~C4均由CU产生。

①控制信号C0有效，打开PC送往MAR的控制门；

②控制信号C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门；

③通过控制总线向主存发读命令；

④C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门；

⑤C3有效，打开MDR和IR之间的控制们，至此指令送至IR；

⑥C4有效，打开指令操作码送至CU的输出门，CU在操作码和时钟的控制下，可产生各种控制信号；

⑦使PC内容加1。

图2.2 不采用CPU内部总线的方式（取指周期）

（2）间址周期

①C5有效，打开MDR和MAR之间的控制门（假设间址周期的时候，直接地址是从MDR送入MAR的），将指令的形式地址送入MAR；

②C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门；

③通过控制总线向主存发读命令；

④C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门，至此，有效地址存入MDR；

物C3有效，打开MDR和IR之间的控制门，将有效地址送至IR的地址码字段。

图2.3 不采用CPU内部总线的方式（间址周期）

（3）执行周期

①C5有效，打开MDR和MAR之间的控制门，将有效地址送至MAR；

②C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门；

③通过控制总线向主存发读命令；

④C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门，至此操作数存入MDR；

⑤C6/C7同时有效，打开AC和MDR通往ALU的控制门；

⑥通过CPU内部控制总线对ALU发ADD加控制信号，完成AC的内容和MDR的内容相加；

⑦C8有效，打开ALU通往AC的控制门，至此将求和结果存入AC。

图2.4 不采用CPU内部总线的方式（执行周期）

2.采用CPU内部总线方式

图2.5 采用CPU内部总线方式

图中每一个小圈处都有一个控制信号，它控制寄存器到总线或总线到寄存器的传送。例如IRi表示控制从内部总线到指令寄存器的输入控制门；PCo表示控制从程序计数器到内部总线的输出控制门。下标为i表示输入控制，下标为o表示输出控制。与图2.2~2.4相比，多了两个寄存器Y和Z，这是由于ALU是一个组合逻辑电路，在其运算过程中必须保持两个输入端不变，其中一个输入可以从Y寄存器中获得，另一个输入可以从内部总线上获得。当CPU内有多个通用寄存器时，由于设置了寄存器Y，可实现任意两个寄存器之间的算术/逻辑运算。此外，ALU的输出不能直接与内部总线相连，因为其输出又会通过总线反馈到ALU的输入，影响运算的正确性，故用寄存器Z暂存运算结果，再根据需要送至指定的目标。

下面依然以上面的命令分析控制单元发出的控制信号。

（1）取指周期

①PCo和MARi有效，完成PC经内部总线送至MAR的操作，即PC->MAR；

②通过控制总线向主存发出读命令，即1->R；

③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（指令）送至MDR；

④MDRo和IRi有效，将MDR的内容送至IRi，即MDR->IR，至此，指令送至IR，其操作码字段开始控制CU；

⑤使PC内容加1。

（2）间址周期

①MDRo和MARi有效，将指令的形式地址经内部总线送至MAR，即MDR->MAR；

②通过控制总线向主存发出读命令，即1->R；

③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（有效地址）送至MDR；

④MDRohe IRi有效，将MDR中的有效地址送至IR的地址码字段，即MDR->Ad(IR)。

（3）执行周期

①MDRo和MARi有效，将有效地址经内部总线送至MAR，即MDR->MAR；

②通过控制总线向主存发出读命令，即1->R；

③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（操作数）送至MDR；

④MDRo和Yi有效，将操作数送至Y，即MDR->Y；

⑤ACo和ALUi有效，同时CU向ALU发“ADD”加控制信号，使AC的内容和Y的内容相加（Y的内容传送至ALU不必经过总线），结果送寄存器Z，即(AC)+(Y)->Z；

⑥Zo和ACi有效，将结果存入AC，即Z->AC。

三、多级时序系统

1.机器周期

机器周期指所有指令执行过程中的一个基准时间。机器周期取决于指令的功能和器件速度。确定机器周期时，通常要分析机器指令的执行步骤及每一步骤所需的时间。

基准时间的确定有两种方式：

①以完成最复杂指令功能的时间为准；

②以访问一次存储器（一般情况下最复杂的指令是这个指令）的时间为基准。

若指令字长=存储字长，则取指周期=机器周期。

2.时钟周期（节拍、状态）

一个机器周期内科完成多个微操作，每个微操作需一定的时间。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）。

时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间。用时钟周期控制产生一个或几个微操作（一般是并行执行）命令。

如图2.6所示，它反映了机器周期、时钟周期和节拍的关系，一个机器周期由4个节拍T0、T1、T2、T3。

图2.6 机器周期、时钟周期和节拍的关系

一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期（节拍），每个指令周期内的机器周期数可以不相等，每个机器周期里面的节拍数也可以不相等。

3.多级时序系统

机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统。一般来说，CPU的主频越快，机器的运行速度也越快。在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比=两机主频之比。

机器速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含时钟周期（主频的倒数）数以及指令周期中所含的机器周期数有关。

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

1.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。

（1）采用定长的机器周期：以最长的微操作序列和最复杂的微操作作为标准，机器周期内节拍数相同。显然这种方法对于较短指令来说会造成时间上的浪费。

（2）采用不定长的机器周期：机器周期内的节拍数可以不等。这种控制方式可以解决微操作执行时间不统一的问题。

（3）采用中央控制和局部控制相结合的方法：这种方案将机器的大部分指令安排在统一的、较短的机器周期内完成，称为中央控制，而将少数操作复杂的指令中的某些操作采用局部控制方式来完成。

局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致；将局部控制节拍作为中央控制中及其街拍的延续，插入到中央控制的执行周期内，使机器以同样的节奏工作，保证了局部控制和中央控制的同步。如图2.7所示。

图2.7 中央控制与局部控制结合的方法

2.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.联合控制方式

同步与异步相结合。对各种不同指令的微操作实行大部分统一、小部分区别对待的方法。

4.人工控制方式

（1）Reset键；

（2）连续和单条指令执行转换开关；

（3）符合停机开关。