组原学习笔记八:控制单元

  • 控制单元的功能
    • 9.1 微操作命令的分析
    • 9.2 控制单元的功能
        • 1. 多级时序系统
        • 2. 控制方式
  • 控制单元的设计
    • 10.1 组合逻辑设计
        • 1. 微操作的节拍安排原则
        • 2. 组合逻辑设计的特点
        • 3. 组合逻辑设计步骤
    • 10.2 微程序设计
        • 1. 微指令的基本格式
        • 2. 微指令的编码方式(控制方式)
        • 3. 微指令格式

计算机之所以能自动协调的工作,是由于控制单元CU的统一指挥。本篇将介绍控制单元的功能及其设计思想。

控制单元的功能

控制单元具有发出各种微操作命令(即控制信号)序列的功能

计算机在执行程序的过程中,控制单元要发出各种微操作命令,而且不同的指令对应不同的命令。完成一条指令分为4个工作周期:取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。

9.1 微操作命令的分析

取指周期:

  1. PC --> MAR
  2. 1 --> R
  3. M (MAR) --> MDR
  4. MDR --> IR
  5. OP (IR) --> CU
  6. (PC) + 1 --> PC

间址周期:

  1. 指令形式地址 --> MAR
  2. Ad (IR) --> MAR
  3. 1 --> R
  4. M (MAR) --> MDR
  5. MDR --> Ad (IR)

执行周期:

  • 非访存指令:CLA、COM、SHR、CSL、STP
  • 访存指令:ADD X、STA X、LDA X
  • 转移指令:JMP X、BAN X

三类指令的指令周期:
组原学习笔记八:控制单元_第1张图片
中断周期:
采用程序断点存至主存的0地址单元:

  1. 0 --> MAR
  2. 1 --> W
  3. PC --> MDR
  4. MDR --> M (MAR)
  5. 向量地址 --> PC
  6. 0 --> EINT

采用程序断点进栈:

  1. (SP) -1 --> MAR
  2. 1 --> W
  3. PC --> MDR
  4. MDR --> M (MAR)
  5. 向量地址 --> PC
  6. 0 --> EINT

9.2 控制单元的功能

控制单元的外特性、控制信号举例略,详见教材379-385页

1. 多级时序系统

一、机器周期:
机器周期可以看做是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及器件的速度。
确定机器周期需要考虑每条指令的执行步骤和每一步骤所需的时间。

基准时间的确定:(基准时间就是机器周期)

  • 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

二、时钟周期(节拍、状态):
一个机器周期内可完成若干个微操作,每个微操作都需一定的时间,可用时钟信号来控制每一个微操作命令,用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令。

时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间。

三、多级时序系统:

机器周期、节拍(状态)、时钟周期组成三级时序系统。

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
组原学习笔记八:控制单元_第2张图片

一般来说,机器的主频越快,机器的速度也越快。这个结论的条件是:

  1. 指令周期所含机器周期数相同,机器周期所含时钟周期数相同
  2. 两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比

2. 控制方式

将形成 控制不同微操作命令序列所采用的时序控制方式 成为CU的控制方式。

  • 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

  • 异步控制方式:
    采用应答方式,无基准时标信号,无固定的周期节拍和严格的时钟同步

  • 联合控制方式:
    同步异步相结合的控制方式

  • 人工控制方式


控制单元的设计

10.1 组合逻辑设计

1. 微操作的节拍安排原则

  1. 微操作的先后顺序不得随意更改
  2. 被控制对象不同的微操作,若能在一个节拍内执行,尽量安排在一个节拍内完成,以节省时间
  3. 占用时间较短的微操作,尽量安排在一个节拍内完成,并允许这些微操作有先后顺序

2. 组合逻辑设计的特点

优点:速度快。思路清晰,简单明了
缺点:硬件结构复杂。线路复杂,调试困难


3. 组合逻辑设计步骤

  1. 列出微操作命令的操作时间表
  2. 写出微操作命令的最简逻辑表达式
  3. 画出微操作命令的逻辑图

操作时间表:


10.2 微程序设计

1. 微指令的基本格式

在这里插入图片描述
操作控制字段发出各种控制信号;
顺序控制字段指出下条微指令的地址(简称下地址)。

微程序的入口地址(首地址)是由指令的操作码部分决定的。


2. 微指令的编码方式(控制方式)

1. 直接编码(直接控制)方式
在微指令的操作控制字段中,每一位代表一个微操作命令,某位为 “1” 表示该控制信号有效。
特点:速度最快,但操作控制字段长。
组原学习笔记八:控制单元_第3张图片

2. 字段直接编码方式(显式编码)
将微指令的控制字段分成若干 “段”,每段经译码后发出控制信号。
要求:每个字段中的命令是互斥的(即不能同时执行的)
特点:缩短了微指令字长,但增加了译码时间,执行速度较慢。
组原学习笔记八:控制单元_第4张图片

3. 字段间接编码方式(隐式编码)
组原学习笔记八:控制单元_第5张图片

4. 混合编码(常用)
直接编码和字段编码(直接和间接)混合使用,以便能综合考虑微指令的字长、灵活性和执行速度等方面的要求。

5. 其他


3. 微指令格式

  1. 水平型微指令
    一次能定义并执行多个并行操作。
    如:直接编码、字段直接编码、字段间接编码、直接和字段混合编码
  2. 垂直型微指令
    类似机器指令操作码的方式
    由微操作码字段规定微指令的功能

两种微指令格式的比较:
(1) 水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强灵活性强
(2) 水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令数目少速度快
(3) 水平型微指令用较短的微程序结构换取较长的微指令结构
(4) 水平型微指令与机器指令差别大

(完)

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