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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操作命令的分析操作命令的分析9.2控制单元的功能控制单元的功能*重重 点点 理解控制单元为完成不同指令所发出的各理解控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令，以及指令周期、机器周期、时种操作命令，以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系。钟周期与操作命令的关系。*难难 点点 CPU CPU 的控制方式，微操作命令的分析及多的控制方式，微操作命令的分析及多级时序系统。级时序系统。9.1 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
2、期一、取指周期(2)1R(3)M(MAR)MDR(4)MDRIR(6)(PC)+1PC+1MDRCUMARPCIR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(1)PCMAR地址线地址线(5)OP(IR)CU二、间址周期二、间址周期(3)M(MAR)MDR(4)MDRAd(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(1)Ad(IR)MAR(2)1R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0ACC
3、ACCACCL(ACC)R(ACC),ACC0ACC0R(ACC)L(ACC),ACC0ACCn0G其中，其中，G为运行标志触发器为运行标志触发器2.访存指令访存指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCAd(IR)MAR1WACCMDRMDRM(MAR)STAXADDX(2)存数指令存数指令(1)加法指令加法指令(3)取数指令取数指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRACC3.转移指令转移指令(1)无条件转无条件转(2)条件转移条件转移Ad(IR)PCA0Ad(IR)+A0(PC)PCLDAXJMPXBANX（负则转）（负则转）4.三类指令的指令周期
4、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图图 9.1 9.1 三类指令的指令周期三类指令的指令周期四、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0MAR1WPCMDRMDRM(MAR)向量地址向量地址PC0EINT（置（置“0”）0EINT（
5、置（置“0”）向量地址向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址MPC(SP)1MAR9.2 9.2 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总线的控制信号系系统统总总线线图图 9.2 9.2 控制单元外特性控制单元外特性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与操作码有关控制信号
6、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RiRj(PC)+1PCINTAHLDA访存控制信号访存控制信号访访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PCIRACCU时时钟钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信
7、号信号C0C1C2C3C4(1)取指周期取指周期PCIRCUMDRMARMDRMAR二、控制信号举例二、控制信号举例以以ADDX为例为例1.不采用不采用CPU内部总线的方式内部总线的方式图图 9.3 9.3 未采用未采用CPUCPU内部总线方式的数据通路和控制信号内部总线方式的数据通路和控制信号PC+1PCMAR地址线地址线C0、C11RCU发读命令发读命令M(MAR)MDRC2MDRIRC3(PC)+1PCOP(IR)CUC4PCIRACCU时时钟钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号MDRMARC1C2C3C5(2)ADDX间址周期间址周期IRMDRMDRMARM(MAR)MDR
8、C2(4)MDRAd(IR)C3MDRMARC5、C11RCU发读命令发读命令PCIRACCU时时钟钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号MDRMARC1C2C5(3)ADDX执行周期执行周期C7C6C8ACALU控制控制信号信号MDRMARMDRMDRMAR1RCU发读命令发读命令M(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCC6、C7、ALU+、C8C5、C1C2MDRMDRCUPC1RMDROP（IR）(PC)+1PCIRPCMARACYALUZ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
9、时钟时钟2.采用采用CPU内部总线方式内部总线方式地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(1)取指周期取指周期CU发读命令发读命令标志标志图图 9.4 9.4 采用采用CPUCPU内内部总线方式的数据部总线方式的数据通路和控制信号通路和控制信号MDR1RMDR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MDRIRMARiMARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROM
10、DROMDROCU(2)ADDX间址周期间址周期CU发读命令发读命令标志标志时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU内内部部总总线线MDROMDRO1RMDRZAC（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MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYiYALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARiMARiALUACCU(3)ADDX执行周期执行周期CU发读命令发读命令CU发发ALU+命令命令标志标志9.5所示
11、所示图图9.5三、多级时序系统三、多级时序系统1.机器周期机器周期所有指令执行过程中的一个基准时间，取决于指所有指令执行过程中的一个基准时间，取决于指令的功能及器件的速度。令的功能及器件的速度。以访问一次存储器的时间为基准以访问一次存储器的时间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（节拍、状态）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，可用时钟信号控制产生每个微操作作需一定的时间，可用时钟信号控制产生每个微操作命令。命令。时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间时钟
12、周期是控制计算机操作的最小单位时间一个机器周期包含若干个时钟周期，又称节拍或一个机器周期包含若干个时钟周期，又称节拍或状态，每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。状态，每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。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时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3图图 9.8 9.8 机器周期、时钟周期和节拍的关系机器周期、时钟周期和节拍的关系3.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）组成多级时序系统CLK机器周期机器周期机器周期机器
13、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)图图 9.9 9.9 指令周期、机器周期、节拍和时钟周期的关系指令周期、机器周期、节拍和时钟周期的关系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通常机器的主频通常机器的主频f 越快，机器的速度也越快越快，机器的速度也越快在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，在机器周期所含时
14、钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比机器速度不仅与主频有关机器速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含，还与机器周期中所含时钟周期（主频的倒数）数以及指令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的机器周期数有关MIPS1MIPS2=f1f2四、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统一基准时标的时序信号控制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机器周期机器周期机器周期（
15、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)采用定长的机器周期采用定长的机器周期以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准机器周期内节拍数相同机器周期内节拍数相同(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）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延
16、长机器周期内节拍数不等机器周期内节拍数不等图图 9.10 9.10 延长机器周期示意延长机器周期示意(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图图 9.11 9.11 中央控制和局部控制的时序关系中央控制和局部控制的时序关系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
17、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应答方式采用应答方式3.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)连续和单条指令执行转换开关连续和单条指令执行转换开关(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
18、DMA复位复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线位内部数据总线I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAResetoutAD7AD0图图 9.12 Intel 8085 9.12 Intel 8085 的组成框图的组成框图2.8085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A15A8AD7AD0SIDSOD入入X1X2入入HOLDReady出出HLDA出出CLKALES0S1IO/MRDWR123456789101112131415161718192
19、04039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8图图 9.13 Intel 8085 9.13 Intel 8085 外部引脚图外部引脚图(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Reset
20、in出出ResetoutVCC+5VVSS地地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8入入INTR3.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T1T2T3T4T1T2T3T1T
21、2T3M1M2M3PCoutPC+1 InsIRXPCoutPC+1ByZZoutAPortIOPORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIOPORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M图图 9.14 8085 9.14 8085 输出指令时序图输出指令时序图小结小结每个控制信号在指定机器周期的指定节拍每个控制信号在指定机器周期的指定节拍T时刻发出时刻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）为例写）为例选择题
22、选择题1 1、下列说法中、下列说法中 错误的。错误的。A.A.计算机的速度完全取决于主频计算机的速度完全取决于主频B.B.计算机的速度不完全取决于主频计算机的速度不完全取决于主频C.C.计算机的速度与主频、机器周期内平均含时钟周计算机的速度与主频、机器周期内平均含时钟周期数及机器期数及机器 的平均指令执行速度有关的平均指令执行速度有关2 2、在控制器控制系统中，局部控制、在控制器控制系统中，局部控制_。A.A.和异步控制相同，都不存在基准时标系统和异步控制相同，都不存在基准时标系统 B.B.属于同步控制，它与中央控制的基准时标是保属于同步控制，它与中央控制的基准时标是保持同步的持同步的 C.C
23、.属于同步控制并有独立的时标系统，与中央控属于同步控制并有独立的时标系统，与中央控制的基准制的基准 时标系统无关时标系统无关3 3、计算机操作的最小单位是、计算机操作的最小单位是 。A.A.指令周期指令周期 B.B.时钟周期时钟周期 C.CPUC.CPU周期周期B BA AB B4 4、在一个节拍信号的宽度是指、在一个节拍信号的宽度是指 。A.A.指令周期指令周期 B.B.时钟周期时钟周期 C.C.机器周期机器周期5 5、直接寻址的无条件转移指令的功能是将指令中的地址、直接寻址的无条件转移指令的功能是将指令中的地址码关入码关入 。A.PC B.A.PC B.地址寄存器地址寄存器 C.C.累加器
24、累加器6 6、取指令操作、取指令操作 。A.A.受上一条指令的操作码控制受上一条指令的操作码控制 B.B.受当前指令的操作码控制受当前指令的操作码控制 C.C.是控制器固有的功能，无需在操作码控制下完成是控制器固有的功能，无需在操作码控制下完成7 7、在单总线结构的、在单总线结构的CPUCPU中，连接在总线上的多个部件中，连接在总线上的多个部件 。A.A.某一时刻只有一个可以向总线发送数据，并且只有某一时刻只有一个可以向总线发送数据，并且只有一个一个 可以从总线接收数据可以从总线接收数据 B.B.某一时刻只有一个可以向总线发送数据，但可以有某一时刻只有一个可以向总线发送数据，但可以有多个多个
25、同时从总线接收数据同时从总线接收数据 C.C.可以有多个同时向总线发送数据，并且可以有多个可以有多个同时向总线发送数据，并且可以有多个同时同时 从总线接收数据从总线接收数据B BC CA AB B8 8、在单总线、在单总线CPUCPU中中 。A.ALUA.ALU的两个输入端都可与总线相连的两个输入端都可与总线相连 B.ALUB.ALU的一个输入端与总线相连，其输出端也可与的一个输入端与总线相连，其输出端也可与总线相连总线相连 C.ALUC.ALU的只能有一个输入端与总线相连，其输出端的只能有一个输入端与总线相连，其输出端需通过暂存器与总线相连需通过暂存器与总线相连9 9、在中断周期中，将允许中断触发器置、在中断周期中，将允许中断触发器置“0”0”的操的操作是由作是由_ _ 完成。完成。A.A.硬件硬件 B.B.关中断指令关中断指令 C.C.开中断指令开中断指令1010、下列说法中、下列说法中 正确的。正确的。A.A.加法指令的执行周期一定要访存加法指令的执行周期一定要访存 B.B.加法指令的执行周期一定不访存加法指令的执行周期一定不访存 C.C.指令的地址码给出的存储器地址的加法指令，指令的地址码给出的存储器地址的加法指令，在执行周在执行周 期一定访存期一定访存C CC CA A作业题作业题P393 9.3P393 9.3、9.49.4、9.59.5、9 9.14