计组第九章 控制单元的功能

第九章 控制单元的功能

以指令的解释功能为例来讲控制单元CU的功能

9.1 微操作命令的分析

完成一条指令分 4 个工作周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期

微操作就是比指令更小的命令，都是CU发出的，下面表格中的微操作也都是CU控制执行的

我们假设指令是定长的，通过一次存取指令就能将指令从存储器中取出送到CPU指定的寄存器当中

9.1.1. 取指周期

微指令 说明
PC→MAR→地址线(→M) PC将要取的指令地址送到存储器
实际上就应该给MAR，M是没有寄存器存储地址的，地址线暂存给MAR，M需要地址的时候再读取MAR的
1→R CU将读操作送给存储器
M(MAR)→MDR 存储器将取出的指令送到MDR
M(MAR)的意思应该是主存利用MAR里面的地址
MDR→IR MDR将指令传给指令寄存器
OP(IR)→CU IR将指令的操作码部分传给CU
(PC) + 1 → PC CU控制的

一般CU要的就是操作码部分？IR只是将操作码给了CU，但是地址码仍然在IR中

9.1.2. 间址周期

上面说了，地址码部分仍然在IR中，因此间址周期是从IR开始的

微操作 说明
AD(IR)→MAR IR中的指令形式地址传给MAR再传给存储器
1→R CU将读操作命令给存储器，1应该就是读操作的指令数在内存内部是有RD和WR寄存器的，R=1表示读，W=1表示写
M(MAR)→MDR 存储器取出地址之后传给MDR
MDR→AD(IR) MDR将操作数的地址传给IR的地址码部分

9.1.3. 执行周期

执行周期比较复杂，指令不一样，功能也不一样

我们这里对指令进行分类

(1) 非访存指令

指令 说明 微操作
CLA clear ACC，清0ACC 0→ACC
COM 取反 ACC非→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→ACCn
STP 停机指令 0→G，计算机有个停机标志，置0即停机

(2) 访存指令

指令 微操作
ADD X 将地址X中的数取出与ACC中相加再存到ACC中
Ad(IR) → MAR 地址仍然是在IR中的
1 → R
M(MAR) → MDR
(ACC) + (MDR) → ACC
STA X 存数指令 X地址的数据存到ACC中
ACC中的数据存到X中
Ad(IR) → MAR
1 → W 将写的指令传给主存
ACC → MDR
MDR→M(MAR)
LDA X X中的数据加载到ACC中
Ad(IR) → MAR
1 → R
M(MAR) → MDR
MDR → ACC

(3) 转移指令

指令 微操作 说明
JMP X 无条件转 Ad(IR) → PC
BAN X 条件转移 image-20221225094543176 条件转移有很多种，这里使用BAN X
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，判断正负就看最高位A0即可
三类指令的指令周期
指令类型 周期 说明
非访存 image-20221225095001682 不访存，自然没有间址周期
直接访存 image-20221225095001682
间接访存 image-20221225095041505
转移 image-20221225095001682
间接转移 image-20221225095041505

(4) 中断周期

中断周期干了三件事：保存断点，形成中断服务程序入口地址，关中断

下面给出的微操作就是要完成这三个任务

任务 微操作 说明
保存断点 0→MAR(程序断点存入"0"地址)
(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(前提是在这个模型机中，堆栈也是内存的一部分)
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 这是软件查询法
向量地址 → PC 这是硬件查询法
关中断 0 → EINT EINT置0，就关中断了

9.2 控制单元的功能

简而言之，就是发出各种控制命令，控制整个CPU系统包括内部的各个部件 完整有序的进行

9.2.1. 控制单元的外特性

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下面我们对输入信号和输出信号做分析

(1) 输入信号

输入信号 说明
时钟 CU受时钟控制，微操作命令在指定的时间点发出
一个时钟脉冲，发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令
指令寄存器 OP(IR)→CU，仅仅是将操作码送到CU，地址仍在IR，控制信号 与操作码有关
标志 CU受标志控制，比如说条件转移指令所需要判断的条件就是标志
外来信号 来自CPU外部的信号也会进入CU，比如INTR中断请求，HRQ总线请求

(2) 输出信号

输出信号 指令举例 说明
CPU内的各种控制信号
控制CPU内部的部件做相应的操作		 Ri→Rj 寄存器之间的数据传输
(PC)+1→PC
ALU ＋-与 或 CPU内部运算器执行的操作
乘法和除法也是一个个加法减法完成的，所以没有乘除法信号
送至控制总线的信号
控制IO 总选 存储体的信号		 MREQ 访问存储体控制信号，存储体那章讲过 Memory Request
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发出中断源的中断请求
HLDA 总线响应信号

9.2.2. 控制信号举例

(1) 不采用 CPU 内部总线的方式

也就是CPU内部的各个部件采用分散连接的方式，而不是总线连接

① CPU的内部结构

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我们先来分析一下各个连接之间的说明

起点 终点 说明
PC MAR 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 MAR要将地址送给内存
M MDR 从内存中取出来的地址或者数据送到MDR中
MDR IR 取出来的地址从MDR送到IR
AC 如果是取数指令，取回来的数据送到ACC中
ALU 假如是加法指令，取回来的数据可能直接被送到ALU了
MAR 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
事实上，在取值周期，IR和MDR中都有了指令，就包括间址周期中需要的地址，因此可以从MDR中拿地址，也可以从IR中拿地址，这里选择前者
由此可以看出为什么要MDR了，因为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 指令寄存器IR的操作码部分要送给CU进行译码
时钟 CU 时钟控制CU发出控制信号
CU 控制信号 CU发出控制信号
控制信号 ALU 控制信号控制ALU操作
ALU AC ALU的计算结果保存在ACC中
② 以ADD @X为例展示微操作命令的分析
a. 取指周期

取指周期就是将指令送到CU，从PC开始，CU结束，最终PC还要+1

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  • 从C0到C4依次执行，并且这几个指令都是CU发出的
  • 最终是送到CU的，CU进行译码也在取指阶段完成
b. 间址周期

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  • 间址周期就是取出操作数的地址，操作数的地址是X

  • 取指周期后，指令在IR和MDR中都有了，其中X也在两个部件之中，这里我们假设以MDR为开始，将地址送到MAR

  • 间址周期是将操作数的地址送到MAR以便执行周期取数，起点是MDR，终点是MAR

  • 执行次序是 C5 C1 C2 C3

  • 间址周期是将操作数的地址送到IR的地址码中，以便执行周期使用，起点是MDR，终点是IR

    注意，这里不能认为终点是MAR，MDR直接将地址传给MAR，应该先传给IR，执行周期再利用IR的地址码取数，当然也可以直接从MDR中取地址

c. 执行周期

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项 说明
目的 利用IR中的地址部分取出数据到ALU中与AC中的数据相加，结果保存在AC中
地址 在间址周期或者取址周期后，操作数的地址保存在MDR或者IR的地址码部分，用哪个都可以，这里假设使用MDR中的地址，也就是MDR直接将地址给MAR
顺序 C5 C1 C2 C7 C6(67顺序可颠倒) CU发出控制信号 C8

(2) 采用 CPU 内部总线方式

① CPU内部总线结构

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说明：

ALU是组合电路，不具有保存功能，因此添加Y和ACC寄存器来保存操作数，Z来保存结果

② 以ADD @X为例展示微操作命令的分析
a. 取指周期

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注意 PCo的意思是PC out输出

目的：将PC中保存地址存储的指令取出来送到CU进行译码

行为 微操作/说明
PC→MAR→地址线 PCo MARi
CU发出读命令 1→R 1送给了存储器的读寄存器
数据线→MDR 取回来的指令送给MDR
MDR→IR MDRo IRi MDR将指令给IR
OP(IR)→CU IR将操作码送给CU进行译码
(PC) +1 → PC
b. 间址周期

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行为 微操作/说明
MDR→MAR→地址线 MDRo MARi，这里是将形式地址→MAR，也可以从IR中拿
CU发出读命令 1→R 1送给了存储器的读寄存器
数据线→MDR 取回来的指令送给MDR
MDR→IR MDRo IRi MDR将有效地址→IR
c. 执行周期

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行为 微操作/说明
MDR→MAR→地址线 MDRo MARi
CU发出读命令 1→R 1送给了存储器的读寄存器
数据线→MDR 取回来的指令送给MDR
MDR→Y MDRo Yi MDR将操作数给Y
AC→ALU ACo ALUi
(AC) + (Y) → Z
Z→ACC 指令最终的结果要保存在ACC中的

9.2.3. 多级时序系统

前面将解释指令的周期分为取指，间址，执行，中断周期，实际上，这些周期都是机器周期

(1) 机器周期

① 机器周期的概念

所有指令执行过程中的一个基准时间

② 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

将每个步骤划分到机器周期中

③ 基准时间的确定

通常情况下：

  • 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，或者是时间最长的是访存操作

    取指，间址，执行阶段都需要访存

    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

实际上，在一个机器周期中还要进行很多操作，比如取指周期要进行各种赋值，数据传送

这些操作也是有一定的先后顺序的，在机器周期的内部也要有多个时钟周期，时钟控制微操作的执行顺序

机器周期和时钟周期是不一样的！

(2) 时钟周期(节拍、状态)

  • 一个机器周期内可完成若干个微操作（如果这些微操作是可以并行执行的）
  • 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(几个微操作命令一般是指这些微操作可以并行执行)

我们来看下面的示意图

我们利用CLK时钟来产生节拍信号

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  • 不同的节拍是有先后顺序的
  • 节拍分为T0到T3，然后用不同的节拍控制部件操作

一个大的指令周期分为若干个机器周期，一个机器周期分为若干个节拍(时钟周期)，节拍就是控制计算机操作的最小单位时间

  • 比如指令周期分为 取址 间址 执行 中断周期
  • 每个 机器周期 再分为节拍，控制微操作，比如PC的值赋给MAR等

指令周期，机器周期，节拍(时钟周期)就构成了计算机的 多级时序系统

(3) 多级时序系统

指令周期、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

指令周期和机器周期的划分都是不一定的，有的可能一样，有的不一样

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CU就是根据节拍发出微操作的指令的，每个指令周期，机器周期是如何划分，每个节拍发出什么微操作指令，都是CU解析指令后自动进行的

(4) 机器速度与机器主频的关系

机器的 主频 f(时钟周期的倒数) 越快 机器的 速度也越快 吗？

这是有前提的：

  • 两台机器都采用非流水方式

  • 在指令周期所含机器周期相同

  • 在机器周期所含时钟周期数 相同 的前提下

  • 两机 平均指令执行速度之比 等于 两机主频之比

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  • 机器速度 不仅与 主频有关 ，还与机器周期中所含 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

9.2.4. 控制方式

控制单元CU控制一条指令执行的过程，实质上是依次执行一个确定的微操作序列的过程。由于不同指令所对应的微操作数及其复杂程度不同，因此每条指令和每个微操作所需的执行时间也不岗。通常将如何形成控制不同微操作序列所采用的时序控制方式称作CU的控制方式。常见的控制方式有同步控制、异步控制、联合控制和人工控制四种。

简单来说，控制方式是指 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

这种方式使用的比较多

  • 同步控制方式是指 任一微操作均由 统一基准时标 的时序信号控制
  • 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

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如果机器内的存储器其存取周期不统一，那么只有把最长的存取周期作为机器周期，才能采用同步控制，否则取指令和取数时间不同，无法用统一的基准。又比如有些不访存的指令，执行周期的微操作较少，无须4个节拍。因此，为了提高CPU 的效率，在同步控制中又有三种方案。

① 采用定长的机器周期

也就是说，每个机器周期含有相同数量的节拍数

  • 以 最长 的微操作序列和 最复杂 的微操作作为 标准
  • 可能会造成时间浪费
② 采用不定长的机器周期

​ 这种方案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

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③ 采用中央控制和局部控制相结合的方法

在讲总线的时候已经讲到了

如果一条指令本身的执行时间就比较长，如何缩短呢？

可以采用中央控制与局部控制相结合的方式

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图中可以看到，执行周期比较长，延长的部分用局部控制节拍

在设计局部控制线路时需注意两点:

  • 其一，使局部控制的每一个节拍T*的宽度与中央控制的节拍宽度相同

  • 其二，将局部控制节拍作为中央控制中机器节拍的延续，插入到中央控制的执行周期内，使机器以同样的节奏工作，保证了局部控制和中央控制的同步。

  • T*的多少可根据情况而定，对于乘法，当操作数位数固定后，T*的个数也就确定了。

    而对于浮点运算的对阶操作，由于移位次数不是一个固定值，因此T的个数不能事先确定。

  • 以乘法指令为例，第一个机器周期采用中央控制的的节拍控制取指令操作，接着仍用中央控制的T0、T1、T2,节拍去完成将操作数从存储器中取出并送至寄存器的操作，然后转局部控制，用局部控制节拍T*完成重复加和移位的操作。

不是很懂？每一个节拍T*的宽度与中央控制的节拍宽度相同，既然这样为啥不要中央控制呢？

(2) 异步控制方式

  • 异步控制方式不存在基准时标信号，没有固定的周期节拍和严格的时钟同步，执行每条指令和每个操作需要多少时间就占用多少时间。
  • 这种方式微操作的时序由专门的应答线路控制，即当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。

(3) 联合控制方式

  • 同步控制和异步控制相结合就是联合控制方式。
  • 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。
  • 例如，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lO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。

(4) 人工控制方式

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

  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

    有些计算机还配有符合停机开关，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。

posted @ 2023-09-13 16:40  Crispy·Candy  阅读(134)  评论(0)  编辑  收藏  举报