控制单元的功能

 

 

控制单元

 

 

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。

概括地说，计算机的功能就是执行程序。在执行程序的过程中，控制单元要发出各种微操作命令，而且不同的指令对应不同的命令。进一步分析发现，完成不同指令的过程中，有些操作是相同或相似的，如取指令、取操作数地址（当间接寻址时）以及进入中断周期由中断隐指令完成的一系列操作。为更清晰起见，下面按指令周期的4个阶段进一步分析其对应的微操作命令。

 

 

1.取指周期

假设CPU内有4个寄存器，MAR与地址总线相连，存放欲访问的存储单元地址；MDR与数据总线相连，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存放现行指令地址，有计数功能；IR存放现行指令。取指令的过程可归纳为以下几个操作：

（1）现行指令地址送到存储器地址寄存器。

（2）向主存发送读命令，启动主存作读操作。

（3）将MAR（通过地址总线）所指主存单元中的内容（指令）经数据总线读至MDR内。

（4）将MDR的内容送至IR

（5）指令的操作码送到CU译码。

（6）形成下一条指令的地址。

 

 

2.间址周期

间址周期完成取操作数有效地址的任务，具体操作如下：

（1）将指令的地址码部分（形式地址）送至存储器址寄存器。

（2）向主存发送读命令，启动主存作读操作。

（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。

（4）将有效地址送至指令寄存器的地址字段。此操作在有些机器中可以省略。

 

 

3.执行周期

不同指令执行周期的微操作是不同的，分为非访存指令、访存指令和转移类指令的微操作。

 

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。在中断周期，由中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服务程序入口地址以及硬件关中断的操作。

 

 

 

 

 

 

 

控制单元的功能

 

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，或发送一组需要同时执行的操作命令。

（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，如BAN指令，控制单元根据上条指令的结果是否为负而产生不同的控制信号。因此“标志”也是控制单元的输入信号。

（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。

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）关至系统总线（控制总线）的信号

例如，命令主存或I/O读/写、中断响应等。

 

 

 

多级时序系统

1.机器周期

机器周期可看做是所有指令执行过程的一个基准时间，机器周期取决于指令的功能及器件的速度。确定机器周期时，通常要分析机器指令的执行步骤及每一步骤所需的时间。因为只以完成复杂指令功能所需的时间（最长时间）作为基准，才能保证所有指令在此时间内完成全部操作，这对简单指令来说，显然是一种浪费。进一步分析发现，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内部的操作速度较快，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。又由于不论执行什么指令，都需要访问存储器取出指令，因此在存储字长等于指令字长的前提下，取指周期也可看做机器周期。

2.时钟周期（节拍、状态）

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。时钟就好比计算机的心脏，只要接通电源，计算机内就会产生时钟信号。

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），每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。机器周期、节拍（状态）组成了多级时序系统。

一般来说，CPU的主频越快，机器的运行速度也越快。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。

实际上机器的速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含的时钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。同要的主频的机器，由于机器周期所含时钟周期数不同，运行速度也不同。机器周期所含时钟周期数少的机器，速度更快。

 

 

 

 

控制方式

控制单元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序不同，因此每条指令和每个微操作所需的执行时间也不同。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为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。