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1、第第章章 控制单元的功能控制单元的功能9.1 操作命令的分析9.2 控制单元的功能9.1 操作命令的分析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PC MAR 地址线1 RM(MAR)MDRMDR IR(PC)+1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存储器CPU地址总线数据总线控制总线9.1 操作命令的分析操作命令的分析OP（IR）CU二、间址周期 M(MAR)MDR1 RAd(IR)MARMDR Ad(IR)指令形式地址 MAR9.1MDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器三、执行周期1.非访存指令(1)CLA 清A(2)CO
2、M 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 G9.12.访存指令Ad(IR)MAR1 RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACC Ad(IR)MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2)存数指令(1)加法指令9.1(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）9
3、.14.三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9.1取指周期间址周期执行周期间接转移 指令周期四、中断周期程序断点存入“0”地址程序断点 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中断识别程序入口地址 M PC9.1(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
4、制信号来自系统总线的控制信号系统总线1.输入信号(1)时钟(2)指令寄存器(4)外来信号(3)标志CU 受时钟控制控制信号 与操作码有关OP(IR)CUCU 受标志控制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9.22.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9.2二、控制信号举例PCIRACCU时钟ALU控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期以 ADD X
5、为例PCIRCU9.21.不采用 CPU 内部总线的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A RPCIRACCU时钟ALU控制信号标志控制信号 M D R M A R二、控制信号举例1.不采用 CPU 内部总线的方式C1C2C3C5ADD X 间址周期IR9.2 M D R M D R M A RPCIRACCU时钟ALU控制信号标志控制信号 M D R M A R二、控制信号举例1.不采用 CPU 内部总线的方式C1C2C5ADD X 执行周期C7C6C8ACALU控制信号9.2 M D R M A R M D RMDRMDRCU(1)ADD X 取指周期 PC CU 发
6、读命令 1 R MDR OP（IR）（PC）+1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线控制信号CPU 内 部 总 线时钟2.采用 CPU 内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCU9.2IRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(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MDRIRMARi MARi地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDRO
7、MDROMDRO形式地址 MAR 9.2CU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MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUAC9.2CU三、多级时序系统1.机器周期(1)机器周期的概念(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
8、中的一个基准时间每条指令的执行 步骤每一步骤 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9.22.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时间段（节拍、状态、时钟周期）9.2用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3时钟周期2.时钟周期（节拍、状态）机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T39.23.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
9、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（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)9.24.机器速度与机器主频的关系机器的 主频 f 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，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，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9.2MIPS1MIPS2=f1f2四、控制方式产生不同微操作命令序列所用的
10、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 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9.2机器周期内 节拍数相同(2)采用不定长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9.2机器周期内 节拍数不等(3)采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制
11、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T0T1T2T39.2局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍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4.人工控制方式(1)Reset(2)连续 和 单条 指令执行转换开关(3)符合停机开关同步与异步相结合9.2五、多级时序系统实例分析1.8085 的组成9.2A15A8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
12、制状态 DMA复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD02.8085 的外部引脚(1)地址和数据信号(2)定时和控制信号(3)存储器和 I/O 初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入 X1 X2入 HOLD Ready出 HLDA出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrap
13、RST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.2(4)与中断有关的信号(5)CPU 初始化(6)电源和地出 INTATrap 重新启动中断入 INTR入 Reset in出 Reset outVCC +5 VVSS 地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSID
14、TrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.23.机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系9.2T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PC outPC+1 Ins IRXPC outPC+1By ZZ outAPort IO PORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M小结每个 控制 信号在 指定机器周期 的指定节拍 T 时刻 发出机器周期 M1 取指令操作码机器周期 M2 取设备地址机器周期 M3 执行 ACC 的内容写入设备以一条输出指令（I/O 写）为例9.2