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1、第九章 控制单元的功能第1页，本讲稿共28页9.1 微操作命令的分析微操作命令的分析完成一条指令分四个工作周期完成一条指令分四个工作周期取址周期取址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第2页，本讲稿共28页一、取指周期一、取指周期PCMAR地址线地址线1RM（MAR）MDRMDRIR（PC）+1PCCPU+1PCCUMARMDR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存储器存储器第3页，本讲稿共28页二、间址周期二、间址周期指令形式地址指令形式地址MAR1RM（MAR）MDRAd（IR）MARAd（IR）MDRMARCU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线
2、线存储器存储器CPUMDRIR第4页，本讲稿共28页三、执行周期三、执行周期1 非访存指令非访存指令（1）CLA 清清A0ACC（2）COM 取反取反ACCACC（3）SHR 算术右移算术右移L（ACC）R（ACC）ACC0ACC0（4）CSL 循环左移循环左移R（ACC）L（ACC）ACC0ACCn（5）STP 停机指令停机指令0G第5页，本讲稿共28页2 访存指令访存指令（1）加法指令）加法指令ADD XAd（IR）MAR1RM（MAR）MDR（ACC）+（MDR）ACC（2）存数指令）存数指令STA XAd（IR）MAR1WACCMDRM（MAR）MDR第6页，本讲稿共28页（3）取数指
3、令）取数指令2 访存指令访存指令LDA XAd（IR）MAR1RMDRMDRM（MAR）ACC第7页，本讲稿共28页3 转移指令转移指令（1）无条件转移）无条件转移（2）条件转移）条件转移JMP XBAN XAd（IR）PCA0*Ad（IR）+A0（PC）PC（负则转）（负则转）第8页，本讲稿共28页4 三类指令的指令周期三类指令的指令周期非访存非访存 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取指周期取指周期执行周
4、期执行周期第9页，本讲稿共28页四、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0 MAR（SP）-1 MAR1 W1 WPC MDRPC MDRMDR M（MAR）MDR M（MAR）向量地址向量地址 PC向量地址向量地址 PC0 EINT（置（置“0”）0 EINT（置（置“0”）中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC第10页，本讲稿共28页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
5、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第11页，本讲稿共28页(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1 输入信号输入信号第12页，本讲稿共28页(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 PC
6、INTA中断响应信号中断响应信号HLDA总线响应信号总线响应信号访存控制信号访存控制信号MREQ访访 IO/存储器的控制信号存储器的控制信号IO/M读命令读命令RD写命令写命令WRALU 、与、或、与、或 2 输出信号输出信号第13页，本讲稿共28页PCIRACCU时钟时钟ALU MDR M A R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号取指周期取指周期以以 ADD X 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C0C1C2C3C4 M D RPC M A RIRCU二、控制信号举例二、控制信号举例第14页，本讲稿共28页PCIRACCU时钟时钟ALU M D R M A
7、R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号1.不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式C1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期 M D R M A R M D RIR二、控制信号举例二、控制信号举例第15页，本讲稿共28页PCIRACCU时钟时钟ALU M D R M A R控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号1.不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式C1C2C5ADD X 执行周期执行周期C7C6C8 M A RACALU M D R M D R控制控制信号信号二、控制信号举例二、控制信号举例第16页，本讲稿共28页MDRMDRCU(1)ADD X 取指周期取指
8、周期 PC CU 发读命令发读命令 1 R MDR OP（IR）（PC）+1 PCIRPCMARAC 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MARMDRIRCU9.2IRPCPCMDRMARCUIR2 采用采用CPU内部总线方式内部总线方式第17页，本讲稿共28页 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
9、部部 总总 线线MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR(2)ADD X 间址周期间址周期第18页，本讲稿共28页时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDROMDRO 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 ALUiA
10、LUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC(3)ADD X 执行周期执行周期第19页，本讲稿共28页三、多级时序系统三、多级时序系统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（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（3）基准时间的确定）基准时间的确定以完成以完成 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
11、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=机器周期机器周期第20页，本讲稿共28页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第21页，本讲稿共28页2 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态）时钟周期时钟周期CLKT0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器
12、周期机器周期机器周期机器周期第22页，本讲稿共28页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CLKT0T1T2T3机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效指令）（取有效指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期节拍节拍(状态状态)节拍节拍(状态状态)T0T1T2T3机器周期机器周期T0T1T2机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（
13、执行指令）指令周期指令周期第23页，本讲稿共28页四、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T0T1T2T3机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效指令）（取有效指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期节拍节拍(状态状态)（1）采用）采用 完全统一完全统一 的机器周期和节拍的机器周期和节拍以以 最长最长 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的
14、微操作作为的微操作作为 标准标准第24页，本讲稿共28页（2）采用不同节拍的机器周期）采用不同节拍的机器周期节拍节拍(状态状态)T0T1T2T3机器周期机器周期T0T1T2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T0T1T2T3机器周期机器周期T0T1T2T3TT机器周期机器周期延长延长（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）第25页，本讲稿共28页（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T0T1T2T3机器周期机器周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期T3T0T1中央控制节拍中央控制节拍T*T*T*局部
15、控制节拍局部控制节拍T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍中央控制节拍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第26页，本讲稿共28页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 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同步与异步相结合同步与异步相结合（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）符合停机开关第27页，本讲稿共28页小结小结每个每个 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 发出发出以一条输出指令（以一条输出指令（IO写写）为例）为例机器周期机器周期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第28页，本讲稿共28页