【学习笔记】计算机组成原理（九+十）

控制单元的功能

文章目录

控制单元的功能
- 9.1 微操作命令的分析
- - 9.1.1 取指周期
  - 9.1.2 间址周期
  - 9.1.3 执行周期
  - 9.1.4 中断周期
- 9.2 控制单元的功能
- - 9.2.1 控制单元的外特性
  - 9.2.2 控制信号举例
  - 9.2.3 多级时序系统
  - 9.2.4 控制方式
控制单元的设计
- 10.1 组合逻辑设计
- - 10.1.1 组合逻辑控制单元框图
  - 10.1.2 微操作的节拍安排
  - 10.1.3 组合逻辑设计步骤
- 10.2 微程序设计
- - 10.2.1 微程序设计思想的产生
  - 10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理
  - 10.2.3 微指令的编码方式(控制方式)
  - 10.2.4 微指令序列地址的形成
  - 10.2.5 微指令格式
  - 10.2.6 静态微程序设计和动态微程序设计
  - 10.2.7 毫微程序设计
  - 10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制
  - 10.2.9 微程序设计举例

9.1 微操作命令的分析

9.1.1 取指周期

在这里插入图片描述

9.1.2 间址周期

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9.1.3 执行周期

非访存指令

指令	微操作	说明
CLA	clear ACC，对ACC清零	0 → ACC
COM	取反	$\overline{\text{ACC}}$ → ACC
SHR	算术右移，左边补上的是原来的符号位	L(ACC) → R(ACC), ACC₀ → ACC₀，就是将原来的符号位写回到最高位
CSL	循环左移	R(ACC) → L(ACC)，ACC₀ → ACC_n
STP	停机指令	0 → G，计算机有个停机标志，置0即停机

访存指令

指令	微操作	说明
ADD X	加法指令	将地址X中的数取出与ACC中相加再存入ACC中
	Ad(IR) → MAR	操作数地址仍然是在IR中的，要将加数从内存取出
	1 → R
	M(MAR) → MDR
	(ACC) + (MDR) → ACC
STA X	存数指令	ACC中保存的数据存到内存单元给定的地址X中
	Ad(IR) → MAR	将X的地址传给存储器
	1 → W	写的指令传给主存
	ACC → MDR
	MDR → M(MAR)
LDA X	取数指令	X中的数据加载到ACC中
	Ad(IR) → MAR	将X的地址传给存储器
	1 → R
	M(MAR) → MDR
	MDR → ACC

转移指令

指令	微操作	说明
JMP X —— 无条件转移	Ad(IR) → PC
BAN X —— 条件转移	A₀ ⋅ Ad(IR) + $\overline{\text{A0}}$ ⋅ (PC) → PC	负则转，如果上一条指令的结果是负数，就跳转到X地址的指令，上一条指令的运算结果是在ACC中的，判断正负就看ACC的最高位A₀ 即可

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9.1.4 中断周期

任务	微操作	说明
保存断点	0 → MAR(程序断点存入"0"地址) 或 (SP)−1 → MAR(程序断点进栈)	保存断点就是将断点送入到内存单元中，有两种方式： 1. 程序断点存入"0"地址 2. 程序断点进栈二者在操作上唯一的不同就是：断点保存的地址不同
	1 → W
	PC → MDR	程序断点原在PC中的
	MDR → M(MAR)
形成中断服务程序入口地址	(中断识别程序入口地址)M → PC	软件查询法
	向量地址 → PC	硬件查询法
关中断	0 → EINT	EINT置0，就关中断了

9.2 控制单元的功能

9.2.1 控制单元的外特性

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输入信号

输入信号	说明
指令寄存器	OP(IR) → CU，IR保存了要执行的那条指令，将指令的操作码送到CU进行译码，指出指令要做的操作，控制信号与操作码有关
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,或发送一组需要同时执行的操作命今
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)产生控制信号如BAN指令,控制单元要根据上条指令的结果是否为负而产生不同的控制信号；再如条件转移指令所需要判断的条件就是标志
外来信号	（来自系统总线(控制总线)的控制信号）来自CPU外部的信号也会进入CU，以便CU对整个系统的硬件资源发出命令，进行管理。比如INTR中断请求，HRQ总线请求

输出信号

输出信号	指令举例	说明
CPU内部的各种控制信号，控制CPU内部的部件做相应的操作	R_i → R_j	寄存器之间的数据传输
	(PC)+1 → PC	更新PC指令
	ALU 算术运算（加、减）、逻辑运算（与、或）	CPU内部运算器执行的操作
送至控制总线的信号，控制IO、总选、存储体的信号	$\overline{\text{MREQ}}$	访问存储体控制信号
	$\overline{\text{IO}}$ /M	访IO/存储体的控制信号，低电平是IO，高电平是存储体
	RD	存储器读命令
	WR	存储器写命令
	INTA	中断响应信号，CPU发出，响应中断源的中断请求
	HLDA	总线应答信号，响应外设发出的总线使用请求

9.2.2 控制信号举例

不采用 CPU 内部总线的方式

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以ADD @X为例

取指周期

起点	终点	说明
PC	MAR	C₀有效：取指令，PC要将指令地址送到MAR(取数据的地址是保存在IR中的)
MAR	M	C₁有效：MAR要将地址送给地址总线，再通过地址总线送到存储器
1	R	CU将控制信号送到控制总线上，控制总线向主存发读命令
M	MDR	C₂有效：通过数据总线将响应数据送到MDR，此时指令已经被取到MDR中
MDR	IR	C₃有效：指令从MDR送到IR
	AC	C₁₂有效：如果是取数指令，取回来的数据送到ACC中
	ALU	C₇有效：如果是加法指令，取回来的数据可能直接被送到ALU了
	MAR	C₅有效：如果是间址寻址，内存中取出来的是操作数的地址，还要再送给MAR去取数
		MDR保存的种类很多，因此先统一保存到MDR中，在CU的控制下再送给响应的部件
IR	CU	C₄有效：指令寄存器IR的操作码部分要送给CU进行译码
时钟	CU	CU 在操作码和时钟的控制下,可产生各种控制信号。
CU	控制信号	CU发出控制信号
(PC) + 1	PC	使PC内容加1

间址周期

起点	终点	说明
MDR	MAR	C₅有效：将MDR中的地址码部分送到MAR当中
MAR	M	C₁有效：MAR要将地址送给地址总线，再通过地址总线送到存储器再次进行内存单元的访问，取出这条指令要的操作数的地址
1	R	CU将控制信号送到控制总线上，控制总线向主存发读命令
M	MDR	C₂有效：通过数据总线将有效地址送到MDR
MDR	IR	C₃有效：指令从MDR送到IR

执行周期

起点	终点	说明
MDR	MAR	C₅有效：将MDR中的地址码部分送到MAR当中
MAR	M	C₁有效：MAR要将地址送给地址总线，再通过地址总线送到存储器
1	R	CU将控制信号送到控制总线上，控制总线向主存发读命令
M	MDR	C₂有效：通过数据总线将操作数送到MDR（此时加数在MDR，被加数在AC）
控制信号	ALU	C₆、C₇同时有效：通过CPU内部控制总线对ALU发“ADD”加控制信号,完成AC的内容和MDR的内容相加。
(AC) + (MDR)	AC	C₈同时有效：将求和结果存入 AC。
		C₉和C₁₀分别是控制PC的输出和输人的控制信号, C₁₁和C₁₂分别是控制AC的输出和输入的控制信号。

采用 CPU 内部总线方式

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以ADD @X为例

取指周期

起点	终点	说明
PC	MAR	PC_o和MAR_i有效：PC的值经由CPU内部总线送到MAR（保存的是下一条要执行的指令地址）
MAR	地址线	MAR把地址送到地址线
1	R	CU发出读命令，读命令是通过控制线送到存储器
数据线	MDR	读出来的指令通过数据线送到MDR（保存的是取回来的间接寻址的加法值）
MDR	IR	MDR_o和IR_i有效：在控制信号的控制之下输出到CPU内部总线，通过总线输入到IR中 IR就保存了要执行的加法指令
OP(IR)	CU	指令寄存器IR的操作码部分要送给CU进行译码
(PC) + 1	PC	使PC内容加1

间址周期

起点	终点	说明
MDR	MAR	MDR_o和MAR_i有效：MDR通过CPU的内部总线将形式地址送入到MAR中
MAR	地址线	MAR将地址送到地址线
1	R	CU发出读命令，读命令是通过控制线送到存储器
数据线	MDR	读出的内容（有效地址）经过数据线送入到MDR中
MDR	IR	MDR_o和IR_i有效：MDR通过CPU的内部总线将有效地址送入到IR中

执行周期

起点	终点	说明
MDR	MAR	MDR_o和MAR_i有效：MDR通过CPU的内部总线将操作数的地址送入到MAR中
MAR	地址线	MAR将地址送到地址线
1	R	CU发出读命令，读命令是通过控制线送到存储器
数据线	MDR	读出的内容（操作数）经过数据线送入到MDR中
MDR	Y	MDR_o和Y_i有效：MDR通过CPU的内部总线将操作数送入到Y寄存器中
Y	ALU	Y中操作数送到ALU，另一个操作数在AC中
AC	ALU	AC_o和ALU_i有效：AC中操作数经由CPU内部总线送到ALU中
(AC) + (Y)	Z	加法结果保存到Z中
Z	AC	Z_o和AC_i有效：加法结果经由CPU内部总线送到AC中

9.2.3 多级时序系统

机器周期
- 概念：所有指令执行过程中的一个基准时间
- 确定机器周期需考虑的因素：每条指令的执行步骤，每一步骤所需的时间，将每个步骤划分到不同机器周期中
- 基准时间的确定：
- 通常情况下：
  在指令执行的过程中（取指、间址、执行、中断）以完成最复杂指令功能的微操作的时间为准
  实际上，最复杂的通常都是是访存操作，因此，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
时钟周期
- 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，有些微操作在一个时钟周期内完成，有些微操作可能花费多个时钟周期（比如对内存的访问）
  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），由时钟周期控制在一个机器周期内部微操作的先后顺序。
- 时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间。用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令(控制几个微操作命令的情况一般是指这些微操作可以并行执行)
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、一个机器周期包含若干个时钟周期。
机器速度与机器主频的关系
- 机器速度不仅与主频有关，还与一个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。
  即使这两个一样，一台采用流水，一台采用非流水，结果也是不一样的。
- 假设两台机器都采用非流水方式，并且在一个指令周期当中，包含的机器周期的数量是相同的，在机器周期所含节拍数也相同的，那么两机平均指令执行速度之比就等于两机主频之比
  $\frac{MIPS_1}{MIPS_2} = \frac{f_1}{f_2}$

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

同步控制方式 - 任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的,并且都是受统一基准时标的时序信号所控制的方式。（一定有一个统一的，定宽定距的时钟作为标准，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。）
- 采用定长的机器周期
  每个机器周期含有相同数量的节拍数，这个时候机器周期以最长的微操作序列和最复杂的微操作作为标准。可能会在某些执行阶段造成时间浪费。
- 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，这种控制方式可解决微操作执行时间不统一的问题。通常把大多数微操作安排在一个较短的机器周期内完成，而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。
- 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
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
- 当CU发出执行某一微操作的控制信号后,等待执行部件完成了该操作后发回“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
联合控制方式
- 同步控制和异步控制相结合。这种方式对各种不同指令的微操作实行大部分统一、小部分区别对待的办法。
- 对每条指令都有的取指令操作,采用同步方式控制;
  对那些时间难以确定的微操作,如 I/O操作,则采用异步控制,
  以执行部件送回的“回答"信号作为本次微操作的结束。
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，工控制的目的。

(1) Reset(复位)键

按下 Reset 键,使计算机处于初始状态。当机器出现死锁状态或无法继续运行时,可按此键。若在机器运行时按此键,将会破坏机器内某些状态而引起错误,因此要慎用。有些微型计算机未设此键,当机器死锁时,可采用停电后再加电的办法重新启动计算机。

(2) 连续或单条执行转换开关
由于调机的需要,有时需要观察执行完一条指令后的机器状态,有时又需要观察连续运行程序后的结果,设置连续或单条执行转换开关,能为用户提供这两种选择。

(3) 符合停机开关
这组开关指示存储器的位置，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。

控制单元的设计

10.1 组合逻辑设计

10.1.1 组合逻辑控制单元框图

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10.1.2 微操作的节拍安排

安排微操作时序的原则
- ① 原则一微操作的先后顺序不得随意更改
- ② 原则二被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成（可以并行操作且没有先后顺序的微操作）
- ③ 原则三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有先后顺序

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10.1.3 组合逻辑设计步骤

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10.2 微程序设计

10.2.1 微程序设计思想的产生

完成一条机器指令需要一个或者多个微操作命令，这些微操作命令存储起来变成微指令，每个节拍对应一个微指令，那么多个节拍对应的多个微指令就构成了微程序。微指令由0、1组成，每一个位置对应某一种或某一个微操作命令。即一条机器指令对应一个微程序。

微程序存入ROM中，执行时把微指令一条一条的从ROM读出，根据读出的微指令中有效控制信号的位置发出相应的信号，让计算机执行相应的操作 —— 存储逻辑（把逻辑信号存储在存储器中）

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10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理

机器指令对应的微程序
微程序控制单元的基本框图
工作原理

10.2.3 微指令的编码方式(控制方式)

直接编码（直接控制）方式
字段直接编码方式
字段间接编码方式
混合编码

直接编码和字段编码(直接和间接)混合使用

10.2.4 微指令序列地址的形成

直接由微指令的下地址字段指出
根据机器指令的操作码形成

当机器指令取至指令寄存器后,微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成。微地址形成部件实际是一个编码器,其输人为指令操作码,输出就是对应该机器指令微程序的首地址。
增量计数器法

在很多情况下,后续微指令的地址是连续的,因此对于顺序地址,微指令可采用增量计数法,即(CMAR)+1 CMAR来形成后续微指令的地址。
分支转移
通过测试网络 - 用于微程序小范围内跳转
由硬件产生微程序人口地址

第一条微指令地址由专门硬件产生

中断/间址周期由硬件产生中断周期微程序首地址