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计算机组成原理18----控制单元CU功能

                                                               控制单元CU功能

1.微操作命令分析

1.1取指周期

1.2间址周期

1.3执行周期

1.4中断周期

2.控制单元功能

2.1外特性

2.2控制信号

2.3多级时序系统

2.4控制方式

CPU结构如下所示，主要由ALU，CU，寄存器和中断系统组成

其中控制单元CU主要负责发出各种微操作命令序列来控制完成各种指令

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1.微操作命令分析

完成一条指令分为四个步骤：取指，间址，执行和中断，分析各个阶段具体的微操作

1.1取指周期

完成取指令，分析指令功能

计算机组成原理18----控制单元CU功能_第2张图片

1.现行指令地址PC发送给MAR，继而送至地址线

2.向主存发送读命令

3.将MAR所指主存单元指令将数据总线送到MDR中

4.将MDR中指令送到指令寄存器IR中

5.指令操作码送至CU中译码

6.形成下一条指令地址，PC+1

1.2间址周期

完成取操作数有效地址功能

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1.将指令中形式地址部分送至MAR

2.向主存发送读命令

3.将MAR所指主存单元内容（有效地址）经数据总线送至MDR中

4.将有效地址送至指令寄存器地址字段

1.3执行周期

不同的指令微操作不同

非访存指令

主要有累加器清零，累加器取反，算数右移，循环右移以及停机指令，G为运行标志触发器，G=0时表示停机。

计算机组成原理18----控制单元CU功能_第4张图片

访存指令

主要有加法指令，存数指令和取数指令

加法指令实现将指令中地址码部分所指主存数据取出与ACC中数据相加

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存数指令实现将ACC中数据存放到指令地址码所指的主存单元中

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取数指令实现将指令地址码所指主存单元数据送入到ACC中

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转移类指令

主要包括无条件转移和条件转移

无条件转移实现将指令中地址部分送入PC中

条件转移BAN，判断结果是否为负，如果为负则发生跳转。结果为负时累加器最高位A0=1，即当A0=1时，跳转到指令中地址位置，否则继续顺序执行

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因此不同指令完成的操作是不同的

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1.4中断周期

执行周期结束后，CPU发出中断查询信号，如果有则进入中断周期，在中断周期由中断隐指令自动完成程序断点保护，寻找中断服务程序入口地址以及硬件关中断等操作。其中程序断点可以保存在特殊单元地址0或者程序断点入栈保存

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2.控制单元功能

2.1外特性

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对于控制单元

输入信号主要包括

时钟信号

指令寄存器  指令操作码字段

标志  依赖CPU当前状态

来自系统总线控制信号  中断请求  DMA请求

输出信号主要包括

CPU内控制信号 用于CPU内寄存器之间传送和控制ALU实现不同操作

送至系统总线信号  命令主存或IO读写 中断响应等

2.2控制信号

间址寻址加法指令 Add @X为例;

不采用CPU内部总线

对于取指周期来说

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C0有效   PC--MAR

C1有效  MAR--地址总线

通过控制总线向主存发读命令

C2有效，主存数据送入MDR

C3有效，MDR数据送入IR

C4有效，将指令操作码送至CU

PC加一

对于间址周期来说

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C5有效，指令形式地址送至MAR

C1有效，形式地址送至地址总线

通过控制总线向主存发读命令

C2有效，数据送入MDR

C3有效，有效地址送到IR中地址码部分

对于执行周期来说

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C5有效，有效地址送至MAR

C1有效，有效地址送至地址总线

通过控制总线向主存发读命令

C2有效，操作数送入MDR

C6,C7有效，两操作数送至ALU

向ALU发出加法指令，完成ACC和MDR中数据相加

C8有效，求和结果送入ACC中

采用CPU内部总线

各部件通过CPU内部总线连接，不直接连接。

取指周期

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间址周期

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执行周期

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2.3多级时序系统

机器周期：指令执行过程中一个基准时间

分析机器指令执行步骤和每一步骤所需时间

以访问一次存储器时间作为基准时间；以完成最复杂指令时间为准

时钟周期：控制计算机操作最小单位

将一个机器周期分为若干时间相对的时间段，时钟周期或者节拍

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机器周期，时钟周期组成多级时序系统

一个指令周期有多个机器周期，一个机器周期有多个时钟周期

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2.4控制方式

执行一条指令实质是依次执行一个确定的微操作序列过程

不同指令对应微操作复杂程度不同

如何形成控制不同微操作序列所采用的时序控制方式称为CU控制方式

主要由同步控制，异步控制，联合控制和人工控制

同步控制方式  

任何微操作都有统一基准时标时序信号控制

计算机组成原理18----控制单元CU功能_第20张图片

采用定长机器周期

以最长微操作序列最繁微操作作为标准

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采用不定长机器周期

各个机器周期可以包含不同节拍数，对于复杂微操作延长机器周期来实现

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采用中央控制和局部控制相结合

大部分指令安排在统一的较短机器周期内完成  中央控制

复杂操作指令采用局部控制来实现

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异步控制方式 

应答方式

联合控制方式 

同步和异步相结合

人工控制方式

复位键

连续和单条指令执行转换开关

符合停机开关

参考资料：计算机组成原理--哈工大--刘宏伟

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