组原学习笔记八：控制单元

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:

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

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

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。

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。

3. 字段间接编码方式（隐式编码）

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）