【學習筆記】計算機組成原理（九+十）

控制單元的功能

文章目錄

控制單元的功能
- 9.1 微操作命令的分析
- - 9.1.1 取指周期
  - 9.1.2 間址周期
  - 9.1.3 執行周期
  - 9.1.4 中斷周期
- 9.2 控制單元的功能
- - 9.2.1 控制單元的外特性
  - 9.2.2 控制信號舉例
  - 9.2.3 多級時序系統
  - 9.2.4 控制方式
控制單元的設計
- 10.1 組合邏輯設計
- - 10.1.1 組合邏輯控制單元框圖
  - 10.1.2 微操作的節拍安排
  - 10.1.3 組合邏輯設計步驟
- 10.2 微程序設計
- - 10.2.1 微程序設計思想的產生
  - 10.2.2 微程序控制單元框圖及工作原理
  - 10.2.3 微指令的編碼方式(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 靜態微程序設計和動態微程序設計
  - 10.2.7 毫微程序設計
  - 10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制
  - 10.2.9 微程序設計舉例

9.1 微操作命令的分析

9.1.1 取指周期

在這里插入圖片描述

9.1.2 間址周期

在這里插入圖片描述

9.1.3 執行周期

非訪存指令

指令	微操作	說明
CLA	clear ACC，對ACC清零	0 → ACC
COM	取反	$\overline{\text{ACC}}$ → ACC
SHR	算術右移，左邊補上的是原來的符號位	L(ACC) → R(ACC), ACC₀ → ACC₀，就是將原來的符號位寫回到最高位
CSL	循環左移	R(ACC) → L(ACC)，ACC₀ → ACC_n
STP	停機指令	0 → G，計算機有個停機標志，置0即停機

訪存指令

指令	微操作	說明
ADD X	加法指令	將地址X中的數取出與ACC中相加再存入ACC中
	Ad(IR) → MAR	操作數地址仍然是在IR中的，要將加數從內存取出
	1 → R
	M(MAR) → MDR
	(ACC) + (MDR) → ACC
STA X	存數指令	ACC中保存的數據存到內存單元給定的地址X中
	Ad(IR) → MAR	將X的地址傳給存儲器
	1 → W	寫的指令傳給主存
	ACC → MDR
	MDR → M(MAR)
LDA X	取數指令	X中的數據加載到ACC中
	Ad(IR) → MAR	將X的地址傳給存儲器
	1 → R
	M(MAR) → MDR
	MDR → ACC

轉移指令

指令	微操作	說明
JMP X —— 無條件轉移	Ad(IR) → PC
BAN X —— 條件轉移	A₀ ? Ad(IR) + $\overline{\text{A0}}$ ? (PC) → PC	負則轉，如果上一條指令的結果是負數，就跳轉到X地址的指令，上一條指令的運算結果是在ACC中的，判斷正負就看ACC的最高位A₀ 即可

在這里插入圖片描述

9.1.4 中斷周期

任務	微操作	說明
保存斷點	0 → MAR(程序斷點存入"0"地址) 或 (SP)?1 → MAR(程序斷點進棧)	保存斷點就是將斷點送入到內存單元中，有兩種方式： 1. 程序斷點存入"0"地址 2. 程序斷點進棧二者在操作上唯一的不同就是：斷點保存的地址不同
	1 → W
	PC → MDR	程序斷點原在PC中的
	MDR → M(MAR)
形成中斷服務程序入口地址	(中斷識別程序入口地址)M → PC	軟件查詢法
	向量地址 → PC	硬件查詢法
關中斷	0 → EINT	EINT置0，就關中斷了

9.2 控制單元的功能

9.2.1 控制單元的外特性

在這里插入圖片描述

輸入信號

輸入信號	說明
指令寄存器	OP(IR) → CU，IR保存了要執行的那條指令，將指令的操作碼送到CU進行譯碼，指出指令要做的操作，控制信號與操作碼有關
時鐘	為了使控制單元按一定的先后順序、一定的節奏發出各個控制信號,控制單元必須受時鐘控制,即每一個時鐘脈沖使控制單元發送一個操作命令,或發送一組需要同時執行的操作命今
標志	控制單元有時需依賴CPU當前所處的狀態(如ALU操作的結果)產生控制信號如BAN指令,控制單元要根據上條指令的結果是否為負而產生不同的控制信號；再如條件轉移指令所需要判斷的條件就是標志
外來信號	（來自系統總線(控制總線)的控制信號）來自CPU外部的信號也會進入CU，以便CU對整個系統的硬件資源發出命令，進行管理。比如INTR中斷請求，HRQ總線請求

輸出信號

輸出信號	指令舉例	說明
CPU內部的各種控制信號，控制CPU內部的部件做相應的操作	R_i → R_j	寄存器之間的數據傳輸
	(PC)+1 → PC	更新PC指令
	ALU 算術運算（加、減）、邏輯運算（與、或）	CPU內部運算器執行的操作
送至控制總線的信號，控制IO、總選、存儲體的信號	$\overline{\text{MREQ}}$	訪問存儲體控制信號
	$\overline{\text{IO}}$ /M	訪IO/存儲體的控制信號，低電平是IO，高電平是存儲體
	RD	存儲器讀命令
	WR	存儲器寫命令
	INTA	中斷響應信號，CPU發出，響應中斷源的中斷請求
	HLDA	總線應答信號，響應外設發出的總線使用請求

9.2.2 控制信號舉例

不采用 CPU 內部總線的方式

? 在這里插入圖片描述

以ADD @X為例

取指周期

起點	終點	說明
PC	MAR	C₀有效：取指令，PC要將指令地址送到MAR(取數據的地址是保存在IR中的)
MAR	M	C₁有效：MAR要將地址送給地址總線，再通過地址總線送到存儲器
1	R	CU將控制信號送到控制總線上，控制總線向主存發讀命令
M	MDR	C₂有效：通過數據總線將響應數據送到MDR，此時指令已經被取到MDR中
MDR	IR	C₃有效：指令從MDR送到IR
	AC	C₁₂有效：如果是取數指令，取回來的數據送到ACC中
	ALU	C₇有效：如果是加法指令，取回來的數據可能直接被送到ALU了
	MAR	C₅有效：如果是間址尋址，內存中取出來的是操作數的地址，還要再送給MAR去取數
		MDR保存的種類很多，因此先統一保存到MDR中，在CU的控制下再送給響應的部件
IR	CU	C₄有效：指令寄存器IR的操作碼部分要送給CU進行譯碼
時鐘	CU	CU 在操作碼和時鐘的控制下,可產生各種控制信號。
CU	控制信號	CU發出控制信號
(PC) + 1	PC	使PC內容加1

間址周期

起點	終點	說明
MDR	MAR	C₅有效：將MDR中的地址碼部分送到MAR當中
MAR	M	C₁有效：MAR要將地址送給地址總線，再通過地址總線送到存儲器再次進行內存單元的訪問，取出這條指令要的操作數的地址
1	R	CU將控制信號送到控制總線上，控制總線向主存發讀命令
M	MDR	C₂有效：通過數據總線將有效地址送到MDR
MDR	IR	C₃有效：指令從MDR送到IR

執行周期

起點	終點	說明
MDR	MAR	C₅有效：將MDR中的地址碼部分送到MAR當中
MAR	M	C₁有效：MAR要將地址送給地址總線，再通過地址總線送到存儲器
1	R	CU將控制信號送到控制總線上，控制總線向主存發讀命令
M	MDR	C₂有效：通過數據總線將操作數送到MDR（此時加數在MDR，被加數在AC）
控制信號	ALU	C₆、C₇同時有效：通過CPU內部控制總線對ALU發“ADD”加控制信號,完成AC的內容和MDR的內容相加。
(AC) + (MDR)	AC	C₈同時有效：將求和結果存入 AC。
		C₉和C₁₀分別是控制PC的輸出和輸人的控制信號, C₁₁和C₁₂分別是控制AC的輸出和輸入的控制信號。

采用 CPU 內部總線方式

? 在這里插入圖片描述

以ADD @X為例

取指周期

起點	終點	說明
PC	MAR	PC_o和MAR_i有效：PC的值經由CPU內部總線送到MAR（保存的是下一條要執行的指令地址）
MAR	地址線	MAR把地址送到地址線
1	R	CU發出讀命令，讀命令是通過控制線送到存儲器
數據線	MDR	讀出來的指令通過數據線送到MDR（保存的是取回來的間接尋址的加法值）
MDR	IR	MDR_o和IR_i有效：在控制信號的控制之下輸出到CPU內部總線，通過總線輸入到IR中 IR就保存了要執行的加法指令
OP(IR)	CU	指令寄存器IR的操作碼部分要送給CU進行譯碼
(PC) + 1	PC	使PC內容加1

間址周期

起點	終點	說明
MDR	MAR	MDR_o和MAR_i有效：MDR通過CPU的內部總線將形式地址送入到MAR中
MAR	地址線	MAR將地址送到地址線
1	R	CU發出讀命令，讀命令是通過控制線送到存儲器
數據線	MDR	讀出的內容（有效地址）經過數據線送入到MDR中
MDR	IR	MDR_o和IR_i有效：MDR通過CPU的內部總線將有效地址送入到IR中

執行周期

起點	終點	說明
MDR	MAR	MDR_o和MAR_i有效：MDR通過CPU的內部總線將操作數的地址送入到MAR中
MAR	地址線	MAR將地址送到地址線
1	R	CU發出讀命令，讀命令是通過控制線送到存儲器
數據線	MDR	讀出的內容（操作數）經過數據線送入到MDR中
MDR	Y	MDR_o和Y_i有效：MDR通過CPU的內部總線將操作數送入到Y寄存器中
Y	ALU	Y中操作數送到ALU，另一個操作數在AC中
AC	ALU	AC_o和ALU_i有效：AC中操作數經由CPU內部總線送到ALU中
(AC) + (Y)	Z	加法結果保存到Z中
Z	AC	Z_o和AC_i有效：加法結果經由CPU內部總線送到AC中

9.2.3 多級時序系統

機器周期
- 概念：所有指令執行過程中的一個基準時間
- 確定機器周期需考慮的因素：每條指令的執行步驟，每一步驟所需的時間，將每個步驟劃分到不同機器周期中
- 基準時間的確定：
- 通常情況下：
  在指令執行的過程中（取指、間址、執行、中斷）以完成最復雜指令功能的微操作的時間為準
  實際上，最復雜的通常都是是訪存操作，因此，以訪問一次存儲器的時間為基準
  
  若指令字長 = 存儲字長，取指周期 = 機器周期
時鐘周期
- 一個機器周期內可完成若干個微操作，每個微操作需一定的時間，有些微操作在一個時鐘周期內完成，有些微操作可能花費多個時鐘周期（比如對內存的訪問）
  將一個機器周期分成若干個時間相等的時間段（節拍、狀態、時鐘周期），由時鐘周期控制在一個機器周期內部微操作的先后順序。
- 時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間。用時鐘周期控制產生一個或幾個微操作命令(控制幾個微操作命令的情況一般是指這些微操作可以并行執行)
多級時序系統
機器周期、節拍（狀態）組成多級時序系統；
一個指令周期包含若干個機器周期、一個機器周期包含若干個時鐘周期。
機器速度與機器主頻的關系
- 機器速度不僅與主頻有關，還與一個機器周期中所含時鐘周期（主頻的倒數）數以及指令周期中所含的機器周期數有關。
  即使這兩個一樣，一臺采用流水，一臺采用非流水，結果也是不一樣的。
- 假設兩臺機器都采用非流水方式，并且在一個指令周期當中，包含的機器周期的數量是相同的，在機器周期所含節拍數也相同的，那么兩機平均指令執行速度之比就等于兩機主頻之比
  $\frac{MIPS_1}{MIPS_2} = \frac{f_1}{f_2}$

9.2.4 控制方式

產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式

同步控制方式 - 任何一條指令或指令中任何一個微操作的執行都是事先確定的,并且都是受統一基準時標的時序信號所控制的方式。（一定有一個統一的，定寬定距的時鐘作為標準，每一個微操作都是在這個時鐘的控制下，在指定的節拍產生。）
- 采用定長的機器周期
  每個機器周期含有相同數量的節拍數，這個時候機器周期以最長的微操作序列和最復雜的微操作作為標準。可能會在某些執行階段造成時間浪費。
- 采用不定長的機器周期
  每個機器周期內的節拍數可以不等，這種控制方式可解決微操作執行時間不統一的問題。通常把大多數微操作安排在一個較短的機器周期內完成，而對某些復雜的微操作，采用延長機器周期或增加節拍的辦法來解決。
- 采用中央控制和局部控制相結合的方法
  將機器的大部分指令安排在統一的、較短的機器周期內完成,稱為中央控制,而將少數操作復雜的指令中的某些操作(如乘除法和浮點運算等)采用局部控制方式來完成
異步控制方式
- 無基準時標信號
- 無固定的周期節拍和嚴格的時鐘同步
- 采用應答方式
- 當CU發出執行某一微操作的控制信號后,等待執行部件完成了該操作后發回“回答”(或“結束”)信號,再開始新的微操作,使CPU沒有空閑狀態,但因需要采用各種應答電路,故其結構比同步控制方式復雜
聯合控制方式
- 同步控制和異步控制相結合。這種方式對各種不同指令的微操作實行大部分統一、小部分區別對待的辦法。
- 對每條指令都有的取指令操作,采用同步方式控制;
  對那些時間難以確定的微操作,如 I/O操作,則采用異步控制,
  以執行部件送回的“回答"信號作為本次微操作的結束。
人工控制方式

? 為了調機和軟件開發的需要,在機器面板或內部設置一些開關或按鍵,來達到，工控制的目的。

? (1) Reset(復位)鍵

? 按下 Reset 鍵,使計算機處于初始狀態。當機器出現死鎖狀態或無法繼續運行時,可按此鍵。若在機器運行時按此鍵,將會破壞機器內某些狀態而引起錯誤,因此要慎用。有些微型計算機未設此鍵,當機器死鎖時,可采用停電后再加電的辦法重新啟動計算機。

? (2) 連續或單條執行轉換開關
? 由于調機的需要,有時需要觀察執行完一條指令后的機器狀態,有時又需要觀察連續運行程序后的結果,設置連續或單條執行轉換開關,能為用戶提供這兩種選擇。

? (3) 符合停機開關
? 這組開關指示存儲器的位置，當程序運行到與開關指示的地址相符時，機器便停止運行，稱為符合停機。

控制單元的設計

10.1 組合邏輯設計

10.1.1 組合邏輯控制單元框圖

? 在這里插入圖片描述

10.1.2 微操作的節拍安排

安排微操作時序的原則
- ① 原則一微操作的先后順序不得隨意更改
- ② 原則二被控對象不同的微操作盡量安排在一個節拍內完成（可以并行操作且沒有先后順序的微操作）
- ③ 原則三占用時間較短的微操作盡量安排在一個節拍內完成并允許有先后順序

? 在這里插入圖片描述

10.1.3 組合邏輯設計步驟

在這里插入圖片描述

10.2 微程序設計

10.2.1 微程序設計思想的產生

完成一條機器指令需要一個或者多個微操作命令，這些微操作命令存儲起來變成微指令，每個節拍對應一個微指令，那么多個節拍對應的多個微指令就構成了微程序。微指令由0、1組成，每一個位置對應某一種或某一個微操作命令。即一條機器指令對應一個微程序。

微程序存入ROM中，執行時把微指令一條一條的從ROM讀出，根據讀出的微指令中有效控制信號的位置發出相應的信號，讓計算機執行相應的操作 —— 存儲邏輯（把邏輯信號存儲在存儲器中）

? 在這里插入圖片描述

10.2.2 微程序控制單元框圖及工作原理

機器指令對應的微程序
微程序控制單元的基本框圖
工作原理

10.2.3 微指令的編碼方式(控制方式)

直接編碼（直接控制）方式

?
字段直接編碼方式
字段間接編碼方式

?
混合編碼

直接編碼和字段編碼(直接和間接)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
根據機器指令的操作碼形成

當機器指令取至指令寄存器后,微指令的地址由操作碼經微地址形成部件形成。微地址形成部件實際是一個編碼器,其輸人為指令操作碼,輸出就是對應該機器指令微程序的首地址。
增量計數器法

在很多情況下,后續微指令的地址是連續的,因此對于順序地址,微指令可采用增量計數法,即(CMAR)+1 CMAR來形成后續微指令的地址。
分支轉移
通過測試網絡 - 用于微程序小范圍內跳轉
由硬件產生微程序人口地址

第一條微指令地址由專門硬件產生

中斷/間址周期由硬件產生中斷周期微程序首地址