《控制单元的功能》PPT课件

第 章 控 制 单 元 的 功 能9.1 操 作 命 令 的 分 析9.2 控 制 单 元 的 功 能 9.1 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 一 、 取 指 周 期PC MAR 地 址 线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC +1 MDRCUMAR PC IR 存 储 器CPU 地址总线 数据总线 控制总线9.1 操 作 命 令 的 分 析OP（ IR） CU 二 、 间 址 周 期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR ) MDRCUMARCPU 地址总线 数据总线 控制总线IR 存 储 器指 令 形 式 地 址有 效 地 址 三 、 执 行 周 期 1. 非 访 存 指 令(1) CLA 清 A(2) COM 取 反(4) CSL 循 环 左 移(3) SHR 算 术 右 移(5) STP 停 机 指 令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC 0 ACCn0 G 运 行 标 志 触 发 器 2. 访 存 指 令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA X ADD X(2) 存 数 指 令 (1) 加 法 指 令指 令 说 明 ： X为 直 接 寻 址 ；此 指 令 是 将 X所 指 向 的 存 储单 元 中 的 内 容 与 累 加 器 中 的相 加 ， 结 果 存 入 累 加 器 。指 令 说 明 ： X为 直 接 寻 址 ；此 指 令 是 将 累 加 器 中 的 内 容送 到 X所 指 向 的 存 储 单 元 。 (3) 取 数 指 令Ad ( IR ) MAR 1 RM ( MAR ) MDR MDR ACC 3. 转 移 指 令(1) 无 条 件 转(2) 条 件 转 移 Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X （ 负 则 转 ） 4. 三 类 指 令 的 指 令 周 期取 指 周 期 执 行 周 期取 指 周 期 执 行 周 期取 指 周 期 执 行 周 期取 指 周 期 间 址 周 期 执 行 周 期非 访 存 指 令 周 期直 接 访 存 指 令 周 期间 接 访 存 指 令 周 期转 移 指 令 周 期 取 指 周 期 间 址 周 期 执 行 周 期间 接 转 移 指 令 周 期 四 、 中 断 周 期程 序 断 点 存 入 “ 0 ” 地 址 程 序 断 点 进 栈0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向 量 地 址 PC0 EINT（ 置 “ 0” ） 0 EINT（ 置 “ 0” ）向 量 地 址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W中 断 识 别 程 序 入 口 地 址 M PC( SP ) 1 MAR 9.2 控 制 单 元 的 功 能一 、 控 制 单 元 的 外 特 性指 令 寄 存 器控 制 单 元 CU时 钟标 志 CPU 内 部 的 控 制 信 号到 系 统 总 线 的 控 制 信 号来 自 系 统 总 线 的 控 制 信 号 系统总线 1. 输 入 信 号(1) 时 钟(2) 指 令 寄 存 器(4) 外 来 信 号(3) 标 志CU 受 时 钟 控 制控 制 信 号 与 操 作 码 有 关OP ( IR ) CUCU 受 标 志 控 制INTR 中 断 请 求HRQ 总 线 请 求一 个 时 钟 脉 冲 发 一 个 操 作 命 令 或 一 组 需 同 时 执 行 的 操 作 命 令如 2. 输 出 信 号(1) CPU 内 的 各 种 控 制 信 号(2) 送 至 控 制 总 线 的 信 号Ri Rj(PC) + 1 PCINTA HLDA访 存 控 制 信 号访 IO/ 存 储 器 的 控 制 信 号读 命 令 写 命 令中 断 响 应 信 号 总 线 响 应 信 号MREQIO/MRD WRALU 、 、 与 、 或 时钟CUIRPCMARMDRACY ALUZ 控制信号CPU 内 部 总 线MDR O控制信号 地址线数据线YiACOALUiZOACiMARiIRiPCOPCiMDRi2. 采 用 CPU 内 部总 线 方 式 二 、 控 制 信 号 举 例 MDRCU(1) ADD X 取 指 周 期 PC CU 发 读 命 令 1 R MDR OP（ IR） （ PC） + 1 PC IRPCMARAC YALUZ控 制 信 号IRi IRiPCO PCOMARi MARiMDRO MDRO 数 据 线 数 据 线控 制 信 号 CPU 内 部 总 线时 钟地 址 线地 址 线MARMDRIR CU IPC (2) ADD X 间 址 周 期 MDR 1 R MDR 有 效 地 址 Ad（ IR）MDRO MDRO 数 据 线 数 据 线时 钟 CUIRPCMARMDRACYALUZ控 制 信 号控 制 信 号 CPU 内 部 总 线MDRIR MARi MARi 地 址 线地 址 线MAR IRiIRiMDRO形 式 地 址 MAR 时 钟 CUIRPCMARMDRACY ALUZ 控 制 信 号 CPU 内 部 总 线MDR OMDRO (3) ADD X 执 行 周 期 1 R MDR Z AC（ AC） +（ Y） MDR 控 制 信 号 MARMDR 地 址 线 地 址 线 数 据 线 数 据 线YMDRO Yi Yi ALUACO ACO ALUi ALUiAC ZZO ZO ACi ACiMARi MARi ALU 例 9.2 已 知 单 总 线 计 算 机 结 构 如 图 所 示 ， 其 中M为 主 存 ， XR为 变 址 寄 存 器 ， EAR为 有 效地 址 寄 存 器 ， LATCH为 锁 存 器 。 图 中 各 寄存 器 的 输 入 和 输 出 均 受 控 制 信 号 控 制 ， 如PCi表 示 PC的 输 入 控 制 。 设 指 令 地 址 已 存 于PC中 ，画 出 ADD X， D（ X为 变 址 寄 存 器 XR， D为 形式 地 址 ）和 STA D（ 表 示 相 对 寻 址 ， D为 相 对 位 移量 ） 两 条 指 令 的 指 令 周 期 信 息 流 程 图 ， 并 列出 相 应 的 控 制 信 号 序 列 。 三 、 多 级 时 序 系 统1. 机 器 周 期(1) 机 器 周 期 的 概 念(2) 确 定 机 器 周 期 需 考 虑 的 因 素(3) 基 准 时 间 的 确 定所 有 指 令 执 行 过 程 中 的 一 个 基 准 时 间每 条 指 令 的 执 行 步 骤每 一 步 骤 所 需 的 时 间 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 准若 指 令 字 长 = 存 储 字 长 取 指 周 期 = 机 器 周 期 2. 时 钟 周 期 （ 节 拍 、 状 态 ） 一 个 机 器 周 期 内 可 完 成 若 干 个 微 操 作每 个 微 操 作 需 一 定 的 时 间时 钟 周 期 是 控 制 计 算 机 操 作 的 最 小 单 位 时 间将 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 ）用 时 钟 周 期 控 制 产 生 一 个 或 几 个 微 操 作 命 令 CLKT0T1T2T 3 时 钟 周 期2. 时 钟 周 期 （ 节 拍 、 状 态 ） 机 器 周 期 机 器 周 期T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 3. 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CLK 机 器 周 期 机 器 周 期 机 器 周 期 （ 取 指 令 ） （ 取 有 效 地 址 ） （ 执 行 指 令 ） 指 令 周 期T 0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3机 器 周 期 机 器 周 期（ 取 指 令 ） （ 执 行 指 令 ）指 令 周 期T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 节 拍(状 态 ) 节 拍(状 态 ) 4. 机 器 速 度 与 机 器 主 频 的 关 系机 器 的 主 频 f 越 快 机 器 的 速 度 也 越 快在 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MIPS1MIPS2 = f1f2 例 9.3 设 某 机 主 频 为 8MHZ， 每 个 机 器 周 期 平均 包 含 有 2个 时 钟 周 期 ， 每 条 指 令 的 指 令 周期 平 均 为 2.5个 机 器 周 期 ， 试 问 该 机 的 平 均 指令 执 行 速 度 是 多 少 MIPS？ 若 机 器 主 频 不 变 ，但 每 个 机 器 周 期 平 均 包 含 4个 时 钟 周 期 ， 每条 指 令 的 指 令 周 期 平 均 为 5个 机 器 周 期 ， 则该 机 的 平 均 指 令 执 行 速 度 又 是 多 少 MIPS？由 此 可 得 出 什 么 结 论 ？ 四 、 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 式任 一 微 操 作 均 由 统 一 基 准 时 标 的 时 序 信 号 控 制CLK 机 器 周 期 机 器 周 期 机 器 周 期（ 取 指 令 ） （ 取 有 效 地 址 ） （ 执 行 指 令 ）指 令 周 期T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3(1) 采 用 定 长 的 机 器 周 期以 最 长 的 微 操 作 序 列 和 最 繁 的 微 操 作 作 为 标 准机 器 周 期 内 节 拍 数 相 同 (2) 采 用 不 定 长 的 机 器 周 期机 器 周 期 机 器 周 期（ 取 指 令 ） （ 执 行 指 令 ）指 令 周 期T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 节 拍(状 态 ) 机 器 周 期 机 器 周 期（ 取 指 令 ） （ 执 行 指 令 ）T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T T延 长机 器 周 期 内 节 拍 数 不 等 (3) 采 用 中 央 控 制 和 局 部 控 制 相 结 合 的 方 法T 0 T1 T2 T3 T0 T1 T2中 央 控 制 节 拍 T3 T0 T1中 央 控 制 节 拍机 器 周 期 执 行 周 期指 令 周 期取 指 周 期T0 T1 T2 T3局 部 控 制 的 节 拍 宽 度 与中 央 控 制 的 节 拍 宽 度 一 致 T*T* T*局 部 控 制 节 拍 2. 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3. 联 合 控 制 方 式4. 人 工 控 制 方 式(1) Reset(2) 连 续 和 单 条 指 令 执 行 转 换 开 关(3) 符 合 停 机 开 关同 步 与 异 步 相 结 合 五、多级时序系统实例分析1. 8085 的组成 A15A8 中断控制AC(8) TR(8) FR(5) IR(8) IDAL（ 16）PC（ 16）SP（ 16）L（ 8）H（ 8） E（ 8） D（ 8） C（ 8） B（ 8） 指令译码 和 机器周期 编码ALU定时和控制 时钟控制状态 DMA复位ABR(8) ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTAINTR SID SOD CLKReady RD WR ALE IO/M HLDA Reset out AD7AD0 2. 8085 的外部引脚(1) 地址和数据信号(2) 定时和控制信号(3) 存储器和 I/O 初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入 X1 X2入 HOLD Ready 出 HLDA出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR 1234567891011121314151617181920 4039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTR VCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A8 (4) 与中断有关的信号(5) CPU 初始化(6) 电源和地出 INTATrap 重新启动中断入 INTR入 Reset in出 Reset outV CC +5 VVSS 地 123456789101112131415 1617181920 403938373635343332313029282726 2524232221 X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD 0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTR VCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES 0A15A14A13A12A11A10A9A8 3. 机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T1 T2 T3M1 M2 M3 PC out PC+1 Ins IR X PC out PC+1 By Z Z out A Port IO PORT ACCbytePCLInstrPCL PCH PCH IO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M 每 个 控 制 信 号 在 指 定 机 器 周 期 的指 定 节 拍 T 时 刻 发 出机 器 周 期 M1 取 指 令 操 作 码机 器 周 期 M2 取 设 备 地 址机 器 周 期 M3 执 行 ACC 的 内 容 写 入 设 备以 一 条 输 出 指 令 （ I/O 写 ） 为 例 o指 令 的 各 个 周 期 中 的 微 操 作 命 令 组 成分 析 。o控 制 信 号 与 多 级 时 序 系 统 。o时 钟 周 期 、 机 器 周 期 、 指 令 周 期小 结 作 业 P393o3、 5、 6