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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

```mermaid
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 |

```mermaid
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 |

```mermaid
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 |

```mermaid
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

```mermaid
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

```mermaid
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*