微操作命令的分析

完成一条指令分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

PC$\rightarrow$MAR

1$\rightarrow$R

M(MAR)$\rightarrow$MDR

MDR$\rightarrow$IR

OP(IR)$\rightarrow$CU

PC+1$\rightarrow$PC

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间址周期

指令形式地址$\rightarrow$MAR

Ad(IR)$\rightarrow$MAR
1$\rightarrow$R

M(MAR)$\rightarrow$MDR

MDR$\rightarrow$Ad(IR)

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执行周期

非访存指令

  • CLA 清A 0$\rightarrow$ACC
  • COM 取反 $\overline {\text{ACC}}\rightarrow$ACC
  • SHR 算术右移 L(ACC)$\rightarrow$R(ACC)，$ACC_0\rightarrow ACC_0$
  • CSL 循环左移 R(ACC)$\rightarrow$L(ACC)，$ACC_0\rightarrow ACC_n$
  • STP 停机指令 0$\rightarrow$G

访存指令

  • 加法指令 ADD X
    • AD(IR)$\rightarrow$MAR
    • 1$\rightarrow$R
    • M(MAR)$\rightarrow$MDR
    • ACC+MDR$\rightarrow $ACC
  • 存数指令 STA X
    • AD(IR)$\rightarrow$MAR
    • 1$\rightarrow$W
    • ACC$\rightarrow$MDR
    • MDR$\rightarrow$M(MAR)
  • 取数指令 LDA X
    • AD(IR)$\rightarrow$MAR
    • 1$\rightarrow$R
    • M(MAR)$\rightarrow$MDR
    • MDR$\rightarrow$ACC

转移指令

  • 无条件转 JMP X
    • AD(IR)$\rightarrow$PC
  • 条件转移 BAN X (负转)
    • $A_0 \cdot Ad(IR)+\overline {\text{A}_0}(PC)\rightarrow$PC

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中断周期

程序断点存入0地址，程序断点进栈

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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
    • CU 受时钟控制
    • 一个时钟脉冲发一个操作命令或一组需要同时执行的操作命令
  • 指令寄存器 OP（IR）$\rightarrow$CU
    • 控制信号与操作码有关
  • 标志
    • CU受标志控制
  • 外来信号
    • 如INTR 中断请求
    • HRQ 总线请求

输出信号

  • CPU内的各种控制信号
    • $R_i\rightarrow R_j$
    • PC+1$\rightarrow$PC
    • ALU +、-、与、或
  • 送至控制总线的信号
    • $\overline {\text{MREQ}}$ 访存控制信号
    • $\overline {\text{IO}}/\text{M}$ 访IO/M存储器的控制信号
    • $\overline {\text{RD}}$ 读命令
    • $\overline {\text{WD}}$ 写命令
    • INTA 中断响应信号
    • HLDA 总线响应信号

多级时序系统

机器周期

所有指令执行过程中的一个基准时间

确定机器周期需要考虑

  • 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基准

若指令字长=存储字长则取指周期=机器周期

时钟周期

一个机器周期内可以完成若干个微操作

每个微操作需要一定时间

将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段

时钟周期是控制计算机操作的最小时间单位

用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令

多级时序系统

机器周期、节拍(状态)组成多级时序系统

一个指令周期包含若干个机器周期

一个机器周期包含若干个时钟周期

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机器速度与机器主频的关系

机器的主频$f$越快机器速度也越快

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

$\frac{MIPS_1}{MIPS_2}=\frac{f_1}{f_2}$

机器速度不仅与主频有关，还和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

控制方式

产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式

同步控制方式

  • 任一微操作均由同一基准时标的时序信号控制

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  • 采用定长的机器周期

    以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准，机器周期内节拍数相同

  • 采用不定长的机器周期 机器周期内节拍数不等

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  • 采用中央控制和局部控制相结合的方法

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异步控制方式

无基准时标信号

无固定的周期节拍和严格的时钟同步

采用应答的方式

联合控制方式

同步和异步相结合

人工控制方式

  • reset

  • 连续和单条指令执行转换开关

  • 符合停机开关