《计算机组成原理》唐朔飞 第9章 控制单元的功能 - 学习笔记

写在前面的话：此系列文章为笔者学习计算机组成原理时的个人笔记，分享出来与大家学习交流。使用教材为唐朔飞第3版，笔记目录大体与教材相同。

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第九章 控制单元的功能

9.1 微操作命令的分析

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。

完成一条指令分为4个周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。

MAR存放欲访问的存储单元地址；MDR存放欲写入存储器的信息或最近从存储器中读出的信息；PC存放现行指令的地址，有计数功能；IR存放现行指令。

9.1.1 取指周期

取指操作：

①现行指令地址送至存储器地址寄存器，记作 PC->MAR

②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1->R

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（指令）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)->MDR

④将MDR的内容送至IR，记作MDR->IR

⑤指令的操作码送至CU译码，记作OP(IR)->CU

⑥形成下一条指令的地址，记作 (PC)+1->PC

9.1.2 间址周期

完成取操作数有效地址的任务：

①将指令的地址码部分（形式地址）送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)->MAR

②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1->R

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（有效地址）经数据总线读至MDR内，记作 M(MAR)->MDR

④将有效地址送至指令寄存器的地址字段，记作MDR->Ad(IR) 。此操作在有些机器中可省略

9.1.3 执行周期

（1）非访存指令

这类指令在执行周期不访问存储器。

1. ACC累加器清零指令CLA：0->ACC

2. ACC按位取反指令COM：$\overline{ACC}\to ACC$

3. ACC算术右移一位指令SHR：$L(ACC)\to R(ACC),AC{C}_0\to AC{C}_0$

4. ACC循环左移一位指令CSL：$R(ACC)\to L(ACC),AC{C}_0\to AC{C}_n$

5. 停机指令STP：计算机中有一个运行标志触发器，当G=1时，表示机器运行；当G=O时，表示停机。STP指令在执行阶段只需将运行标志触发器置“0"，记作 0->G

（2）访存指令

只考虑直接寻址

1. 加法指令 ADD X：ACC+(X)->ACC

2. 存数指令STA X：ACC->(X)

3. 取数指令LDA X：(X)->ACC

（3）转移类指令

不访问存储器

1. 无条件跳转JMP X：该指令在执行阶段完成将指令的地址码部分送至PC的操作，记作Ad(IR)->PC
2. 条件跳转

9.1.4 中断周期

在执行周期结束时刻，CPU要查询是否有请求中断的事件发生，如果有则进入中断周期。假设程序断点存至主存的"0"地址单元，且采用硬件向量法寻找入口地址，则在中断周期需完成如下操作：

(不是绝对的0地址，是某个给定地址)

①0→MAR,将特定地址“0”送至存储器地址寄存器。

②1→W。

③PC→MDR，保存断点。

④MDR→M(MAR)。

⑤向量地址→PC。

⑥0→EINT关中断。

如果程序断点存入堆栈，而且进栈操作是先修改栈指针，后存人数据，只需将上述①改为(SP)-1→SP,且SP→MAR。

9.2 控制单元的功能

9.2.1 控制单元的外特性

1. 输入信号

（1）时钟

为了使控制单元按一定的先后顺序、一定的节奏发出各个控制信号，控制单元必须受时钟控制，即每一个时钟脉冲使控制单元发送一个操作命令，或发送一组并行执行的操作命令。

（2）指令寄存器

现行指令的操作码决定了不同指令在执行周期所需完成的不同操作，故指令的操作码字段是控制单元的输入信号，它与时钟配合可产生不同的控制信号。

（3）标志

控制单元有时需依赖CPU当前所处的状态（如ALU操作的结果）产生控制信号。

（4）来自系统总线(控制总线)的控制信号

例如中断请求、DMA请求等。

2. 输出信号

（1）CPU内的控制信号

主要用于CPU内的寄存器之间的传送和控制ALU实现不同的操作。

（2）送至系统总线(控制总线)的信号

如命令主存或I/O读写、中断响应等。

9.2.3 多级时序系统

（1）机器周期

机器周期可看作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。

机器内的各种操作大致可归属为对CPU内部的操作和对主存的操作两大类，由于CPU访存的操作时间较长，因此通常以访问一次存储器的时间定为基准时间较为合理，这个基准时间就是机器周期。(在存储字长等于指令字长的前提下，取指周期也可看作机器周期。)

（2）时钟周期

在一个机器周期里可完成若干个微操作，每个微操作都需要一定的时间，可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。

用时钟信号控制节拍发生器，就可产生节拍。每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。在每个节拍内机器可完成一个或几个需同时执行的操作，它是控制计算机操作的最小时间单位。

(时钟信号的频率即为CPU主频)

（3）多级时序系统

一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期（节拍）。机器周期、节拍组成多级时序系统。

主频：$MHz$

时钟周期：$\frac{1}{主频Mhz}=\mu s$ 最小单位

机器周期：$\mu s$ $n$倍时钟周期

指令周期：$\mu s$ $n$倍机器周期

平均指令执行速度：$\frac{1}{指令周期\mu s}=MIPS$

衡量机器速度的指标：

• MIPS（执行百万条指令数每秒）

• CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）

9.2.4 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

以一个统一的定宽定距的时钟(统一基准时标)作为标准，每一个微操作都是在这个时钟的控制下在指定的节拍产生。

1. 采用定长的机器周期

每个机器周期中采用完全统一的、具有相同时间间隔和相同数目的节拍。

此时以最长的微操作序列和最复杂的微操作作为机器周期的标准。

对于较短的指令会造成时间上的浪费。

2. 采用不定长的机器周期

每个机器周期内的节拍数可以不等。

对某些复杂的微操作，采用延长机器周期或增加节拍的办法来解决。

3. 采用中央控制和局部控制相结合的方法

将机器的大部分指令安排在统一的、较短的机器周期内完成，称为中央控制，而将少数操作复杂的指令中的某些操作（如乘除法和浮点运算等）采用局部控制方式来完成。

• 局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致。

• 将局部控制节拍作为中央控制中机器节拍的延续，插入中央控制的执行周期内，使机器以同样的节奏工作，保证局部控制和中央控制的同步。

与不定长的机器周期的区别(个人理解)：

• 不定长中，每个机器周期长度都不是确定的。

• 而在中央控制和局部控制相结合的方法中，具有一个统一的定长的较短的机器周期，可以在一个周期内完成大部分指令；而对于较长的指令，先在中央控制节拍控制下完成部分指令，若不能在一个周期内完成，则增加局部控制节拍，插入中央控制的执行周期，作为中央控制的延续，再单独为其运算几个局部控制节拍，局部节拍数可能是提前确定的(乘法)，也可能不能提前确定(浮点对阶)

（2）异步控制方式

不存在定宽定距的基准时钟，使用应答方式来控制。

CU发出执行某一微操作的控制信号后，等待执行部件完成该操作后发回“回答”(或“结束”)，信号，再开始新的微操作，使 CPU 没有空闲状态，但因需要采用各种应答电路，故其结构比同步控制方式复杂。

（3）联合控制方式

同步控制和异步控制相结合。

对各种不同指令的微操作实行大部分统一(如取指操作)、小部分区别对待(难以确定结束时间，如I/O操作)的办法。

（4）人工控制方式

为了调机和软件开发的需要，在机器面板或内部设置一些开关或按键，来达到人工控制的目的。

• Reset(复位)键：使计算机处于初始状态

• 连续或单条执行转换开关

• 符合停机开关：有一个寄存器保存了停机条件，是一个内存单元地址，当程序运行到与开关指示的地址相符时，机器便停止运行，称为符合停机。