计算机组成原理 | 第九章：控制单元的功能 | 微操作命令

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📚微操作命令的分析

假设完成一条指令分为4个工作周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期

🐇取指周期

①现行指令地址送至存储器地址寄存器，记作PC → MAR
②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1 → R
③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（指令）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR) → MDR
④将MDR的内容送至IR，记作MDR → IR
⑤指令的操作码送至CU（控制单元）译码，记作OP(IR) → CU
⑥形成下一条指令的地址，记作(PC)+1 → PC

🐇间址周期

①将指令的地址码部分（形式地址）送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR) → MAR
②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1 → R
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，记作M(MAR) → MDR
④将有效地址送至指令寄存器的地址字段，记作MDR → Ad（IR）。此操作在有些机器中可省略。

🐇执行周期

不同指令执行周期的微操作是不同的，下面分别讨论非访存指令、访存指令和转移类指令的微操作，附不同指令的指令周期

🥕非访存指令

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🥕访存指令⭐️

👀加法指令（该指令在执行阶段需要完成累加器内容与对应X地址单元的内容相加，结果送累加器的操作）
- 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR) → MAR
- 向主存发读命令，启动主存做读操作，记作1 → R
- 将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（操作数）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR) → MDR
- 给ALU发送加命令，将ACC的内容和MDR的内容相加，结果存于ACC，记作(ACC) + (MDR) → ACC
👀存数指令（该指令在执行阶段需将累加器ACC的内容存于主存的X地址单元中）
- 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR) → MAR
- 向主存发写命令，启动主存做写操作，记作1 → W
- 将累加器内容送至MDR，记作ACC → MDR
- 将MDR的内容（通过数据总线）写入MAR（通过地址总线）所指的内存单元中，记作MDR → M(MAR)
👀取数指令（该指令在执行阶段需将主存X地址单元的内容取至累加器ACC中）
- 将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR) → MAR
- 向主存发读命令，启动主存做读操作，记作1 → R
- 将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（操作数）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR) → MDR
- 将MDR的内容送至ACC，记作MDR → ACC

🥕转移指令

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🐇中断周期

①将特定地址“0”送至存储器地址寄存器，记作0 → MAR（如果程序断点存入堆栈，而且进栈操作是先修改栈指针，后存入数据，则记作(SP)-1 → MAR）
②向主存发写命令，启动存储器作写操作，记作1 → W
③将PC的内容（程序断点）送至MDR，记作PC → MDR
④将MDR的内容（程序断点）通过数据总线写入MAR（通过地址总线）所指示的主存单元（0地址单元）中，记作MDR → M（MAR）
⑤将向量地址形成部件的输出送至PC，记作向量地址 → PC，为下一条指令的取值周期做准备
⑥关中断，将允许中断触发器清零，记作0 → EINT

⭐️上述所有操作都是在控制单元发出的控制信号（即微操作命令）控制下完成的

📚控制单元的功能

🐇控制单元的外特性

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🥕输入信号

时钟
- 为了使控制单元按一定的先后顺序、一定的节奏发出各种控制信号，控制单元必须受时钟控制
- 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
指令寄存器
- OP（IR）→ CU
- 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（控制信号与操作码有关）
标志
- 控制单元有时需依赖CPU当前所处的状态产生控制信号，即CU受标志控制
外来信号
- 如中断请求、DMA请求

🥕输出信号

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
送至系统总线（控制总线）的信号

🐇控制信号举例

🥕不采用 CPU 内部总线的方式

图中未画出每个寄存器的输入或输出控制门，但标出了这些门电路的控制信号 $C_i$

取指周期
间址周期
执行周期

🥕采用CPU内部总线方式⭐️

以下图中每个小圈处都有一个控制信号，它控制着寄存器到总线或总线到寄存器之间的传送

$IR_i$ 表示控制从内部总线到指令寄存器的输入控制门

$PC_o$ 表示控制从程序计数器到内部总线的输出控制门

下标为i表示输入(in)控制

下标为o表示输出(out)控制

与不采用CPU内部总线的方式相比，上图中多了两个寄存器Y和Z ❓

因为ALU是一个组合逻辑电路，在其运算过程中必须保持两个输入端不变，其中一个输入端可以从Y寄存器中获得，另一个可以从内部总线上获得。当CPU内有多个通用寄存器时，由于设置了寄存器Y，可实现任意两个寄存器之间的算逻运算。

此外，ALU的输入不能直接与内部总线相连，因为其输出又会通过总线反馈到ALU的输入，影响运算的正确性，故用寄存器Z暂存运算结果，再根据需要送至指定的目标。

取指周期
间址周期
执行周期

⚠️微操作例题⭐️

非总线方式
总线方式

第七章知识回顾

微操作信号序列,计算机组成原理,单片机,嵌入式硬件,微操作命令

🌟微操作模板集合

微操作指令解题可依据以下模板，再综合题目要求（1 → R/W一般不写）

取指周期
间址周期
ADD执行周期

Z是锁存器
STA执行周期
LDA执行周期

🐇多级时序系统

🥕机器周期

机器周期的概念：所有指令执行过程中的一个基准时间
确定机器周期需考虑的因素：每条指令的执行步骤；每一步骤所需的时间
基准时间的确定
- 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准
- 若指令字长 = 存储字长，取指周期 = 机器周期

🥕时钟周期（节拍）

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一个机器周期内可完成若干个微操作，每个微操作需要一定的时间
将一个机器周期分成若干时间相等的时间段，即为时钟周期（节拍）
时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间
用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令

指令周期、机器周期和时钟周期小结❓

CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期
所有指令执行过程中的一个基准时间叫机器周期
- 机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期
将一个机器周期分成若干时间相等的时间段，即为时钟周期（节拍）
- 时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应一个微操作所需时间
三者之间关系是：（套娃👀）
- 时钟周期是基本动作单位
- 一个机器周期通常由多个时钟周期组成
- 而一个指令周期可能包含有一个或多个机器周期