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第9章 控制单元的功能

📖 本章分析控制单元为完成不同指令所发出的各种微操作命令。 🎯 重点理解微操作命令和指令执行过程

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📋 本章目录

• #9.1 微操作命令的分析
• #9.2 控制单元的功能
• #本章小结

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9.1 微操作命令的分析

9.1.1 微操作命令的概念

[!info] 定义 微操作命令是控制单元发出的最基本控制信号，控制计算机各部件完成相应操作。

特点：

• 是最基本的操作，不可再分
• 由控制单元发出
• 控制数据通路和功能部件

9.1.2 指令周期的四个阶段

graph LR
    A[指令周期] --> B[取指周期]
    A --> C[间址周期]
    A --> D[执行周期]
    A --> E[中断周期]

9.1.3 取指周期的微操作

操作序列：

步骤	微操作	说明
1	PC → MAR	现行指令地址送MAR
2	1 → R	向主存发读命令
3	M(MAR) → MDR	指令从主存读至MDR
4	MDR → IR	指令送指令寄存器
5	OP(IR) → CU	操作码送CU译码
6	(PC) + 1 → PC	程序计数器加1

sequenceDiagram
    participant PC
    participant MAR
    participant MEM as 主存
    participant MDR
    participant IR
    participant CU

    PC->>MAR: PC → MAR
    Note over MAR: 1 → R（发读命令）
    MEM->>MDR: M(MAR) → MDR
    MDR->>IR: MDR → IR
    IR->>CU: OP(IR) → CU
    Note over PC: (PC) + 1 → PC

9.1.4 间址周期的微操作

操作序列：

步骤	微操作	说明
1	Ad(IR) → MAR	形式地址送MAR
2	1 → R	向主存发读命令
3	M(MAR) → MDR	有效地址从主存读至MDR
4	MDR → Ad(IR)	有效地址送IR地址字段

sequenceDiagram
    participant IR
    participant MAR
    participant MEM as 主存
    participant MDR

    IR->>MAR: Ad(IR) → MAR
    Note over MAR: 1 → R（发读命令）
    MEM->>MDR: M(MAR) → MDR
    MDR->>IR: MDR → Ad(IR)

9.1.5 执行周期的微操作

1. 非访存指令

指令	微操作	说明
CLA	0 → ACC	清除累加器
COM	\overline{ACC} → ACC	累加器取反
SHR	L(ACC) → R(ACC), ACC₀ → ACC₀	算术右移
CSL	R(ACC) → L(ACC), ACC₀ → ACCₙ	循环左移
STP	0 → G	停机

2. 访存指令

加法指令 ADD X

步骤	微操作	说明
1	Ad(IR) → MAR	地址送MAR
2	1 → R	发读命令
3	M(MAR) → MDR	操作数读至MDR
4	(ACC) + (MDR) → ACC	加法运算

存数指令 STA X

步骤	微操作	说明
1	Ad(IR) → MAR	地址送MAR
2	1 → W	发写命令
3	ACC → MDR	数据送MDR
4	MDR → M(MAR)	数据写入主存

取数指令 LDA X

步骤	微操作	说明
1	Ad(IR) → MAR	地址送MAR
2	1 → R	发读命令
3	M(MAR) → MDR	数据读至MDR
4	MDR → ACC	数据送累加器

3. 转移类指令

指令	微操作	说明
JMP X	Ad(IR) → PC	无条件转移
BAN X	A₀·Ad(IR) + $\overline{A₀}$·(PC) → PC	条件转移（负则转）

9.1.6 中断周期的微操作

操作序列：

步骤	微操作	说明
1	0 → MAR	特定地址送MAR
2	1 → W	发写命令
3	PC → MDR	断点送MDR
4	MDR → M(MAR)	断点存入主存
5	向量地址 → PC	中断服务程序入口送PC
6	0 → EINT	关中断

sequenceDiagram
    participant PC
    participant MAR
    participant MDR
    participant MEM as 主存

    Note over MAR: 0 → MAR
    Note over MAR: 1 → W（发写命令）
    PC->>MDR: PC → MDR
    MDR->>MEM: MDR → M(MAR)
    Note over PC: 向量地址 → PC
    Note over PC: 0 → EINT（关中断）

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9.2 控制单元的功能

9.2.1 控制单元的外特性

graph TB
    subgraph "控制单元CU"
        INPUT[输入] --> CU[控制单元]
        CU --> OUTPUT[输出]
    end

    subgraph "输入信号"
        CLK[时钟]
        INST[指令寄存器]
        FLAG[标志]
        INT[中断请求]
        BUS[总线信号]
    end

    subgraph "输出信号"
        CTRL[控制信号]
        ADDR[地址信号]
        DATA[数据信号]
    end

    CLK --> INPUT
    INST --> INPUT
    FLAG --> INPUT
    INT --> INPUT
    BUS --> INPUT
    OUTPUT --> CTRL
    OUTPUT --> ADDR
    OUTPUT --> DATA

9.2.2 控制信号

控制信号分类：

类型	说明	示例
操作控制信号	控制数据通路操作	ALU操作、寄存器读写
时序控制信号	控制操作时序	时钟、节拍
总线控制信号	控制总线操作	总线请求、总线允许

9.2.3 控制信号举例

取指周期的控制信号

时钟	控制信号	功能
T₀	PCout, MARin	PC → MAR
T₁	MemR, MARout	读主存
T₂	MDRinE	M(MAR) → MDR
T₃	MDRout, IRin	MDR → IR
T₄	PC+1	PC加1

执行周期的控制信号（加法指令）

时钟	控制信号	功能
T₀	IRout, MARin	Ad(IR) → MAR
T₁	MemR, MARout	读主存
T₂	MDRinE	M(MAR) → MDR
T₃	MDRout, Yin	MDR → Y
T₄	ADD, Zin	ACC + Y → Z
T₅	Zout, ACCin	Z → ACC

9.2.4 多级时序系统

graph TB
    subgraph "多级时序系统"
        MACHINE[机器周期] --> CLOCK[时钟周期]
        CLOCK --> MICRO[微操作]
    end

    subgraph "时序关系"
        T[指令周期] --> M1[机器周期1]
        T --> M2[机器周期2]
        T --> M3[机器周期3]
        M1 --> C1[时钟周期T0]
        M1 --> C2[时钟周期T1]
        M1 --> C3[时钟周期T2]
    end

时序关系：

• 指令周期：取出并执行一条指令的时间
• 机器周期：完成一个基本操作的时间
• 时钟周期：最基本的时序单位

9.2.5 控制方式

1. 同步控制方式

[!info] 特点 所有操作由统一时钟控制，时序固定。

优点：设计简单，可靠性高 缺点：效率低，不灵活

2. 异步控制方式

[!info] 特点 操作按需进行，采用应答方式。

优点：效率高，灵活 缺点：设计复杂

3. 联合控制方式

[!info] 特点 同步和异步结合，大部分操作同步，特殊操作异步。

应用：现代计算机常用

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📝 本章小结

核心概念

1. 微操作命令：最基本的控制信号
2. 指令周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期
3. 控制信号：控制数据通路和功能部件
4. 时序系统：机器周期、时钟周期

重点图示

[!summary] 必须掌握的内容

1. 指令周期四个阶段的微操作序列
2. 控制单元的外特性
3. 多级时序系统
4. 各类指令的控制信号

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🧪 自测练习

概念题

1. 说明微操作命令的概念和特点。
2. 比较指令周期四个阶段的微操作。
3. 解释控制信号的作用和分类。

分析题

1. 写出加法指令的微操作序列。
2. 设计取指周期的控制信号。

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🔗 相关链接

• 08_CPU结构与功能 - 上一章
• 10_控制单元设计 - 下一章
• 07_指令系统 - 指令格式

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本章难度：⭐⭐⭐⭐ 中等偏难 重要程度：⭐⭐⭐⭐ 重点