计算机组成指北（六）

第九章控制单元的功能

掌握多级时序的概念，时钟周期，节拍

相对简单，要对CU的运行有一个基本的轮廓

到现在为止，我们已经介绍完了CPU的ALU、寄存器（存储器）、中断系统，只差CU模块还没有介绍。这一章我们就来介绍CPU的最后一个组成部分：CU控制单元。

控制单位的主要功能之一就是完成指令的解释。我们以CU分析和执行指令的过程为例，说明控制单元要完成哪些功能。

微操作命令的分析

微操作，即在指令执行过程中，由CU发出的指令，比整条操作指令小的多。我们现在分别从指令执行的不同阶段，来学习CU在此期间的作用。

在介绍指令系统时我们知道，完成一条指令分4个工作周期取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。我们就按照这四个周期，来一一分析CU的功能。

取指周期

取指周期的过程可以归纳为以下几个微操作：

$PC\rightarrow MAR\rightarrow 地址线$

PC将指令地址送入地址寄存器MAR，通过地址总线发出
$1\rightarrow R$

这里的R指的是控制寄存器，由控制寄存器传输信号给控制总线向主存发送读命令
$M(MAR)\rightarrow MDR$

将MAR所指的主存单元中的内容经过数据总线读入MDR内
$MDR\rightarrow IR$

MDR将内容送至指令寄存器IR内
$OP(IR)\rightarrow CU$

CU对指令的操作码进行译码
$(PC)+1\rightarrow PC$

PC形成下一条指令的地址。注意，只有且必须在取指周期递增一次PC。如果学过8086汇编语言，你就会知道CPU执行指令的过程是先将指令读入指令寄存器，然后递增IP指向下一条指令。那么递增这个操作，实际上就是在取指周期内完成的。

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：

$Ad(IR)\rightarrow MAR$

将指令的形式地址送入MAR
$1\rightarrow R$

启动读操作
$M(MAR)\rightarrow MDR$

将形式地址内的数据传回MDR
$MDR\rightarrow Ad(IR)$

将MDR内的有效地址送至指令寄存器的地址字段

执行周期

执行周期的过程相对比较复杂。不同于取指周期和间址周期，执行周期会根据指令操作的差异而改变。我们将分别讨论非访存指令、访存指令和转移指令的微指令操作。

非访存指令

非访存指令比较简单，因为不涉及访存，所以不需要用到总线传输以及地址及数据寄存器。有以下指令是非访存的：

指令	功能	微指令操作
CLA	清除ACC的值	$0\rightarrow ACC$
COM	将ACC内的值取反	$\overline{ACC}\rightarrow ACC$
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	$0\rightarrow G$ $G$ 是停机标志

访存指令

访存指令需要访问主存，所以一般都会涉及到总线传输，此时控制线输出的信号根据操作类型输出可读可写。

加法指令 ADD X
1. $Ad(IR)\rightarrow MAR$
  
  将指令寄存器的形式地址送入MAR
2. $1\rightarrow R$
  
  控制线输出读信号
3. $M(MAR)\rightarrow MDR$
  
  主存读取MAR地址中的数据送回MDR
4. $(ACC)+(MDR)\rightarrow ACC$
  
  ACC中的值加上MDR中的数据，计算结果保存在ACC中
存数指令 STA X
1. $Ad(IR)\rightarrow MAR$
  
  将形式地址送入MAR
2. $1\rightarrow W$
  
  控制线输出写信号
3. $ACC\rightarrow MDR$
  
  将ACC内的值送入MDR内
4. $MDR\rightarrow M(MAR)$
  
  将MDR中的数据写入主存中MAR的地址内
取数指令 LDA X
1. $Ad(IR)\rightarrow MAR$
  
  形式地址送入MAR
2. $1\rightarrow R$
  
  控制线输出读信号
3. $M(MAR)\rightarrow MDR$
  
  将主存中MAR地址内的数据取出存放在MDR中
4. $MDR\rightarrow ACC$
  
  将MDR中的数据送入ACC，而不是与ACC内的值相加

转移指令

转移指令分为无条件转移和有条件转移，对应汇编中的jmp和jz等指令。要实现转移指令，一般涉及到对PC的修改。

无条件转移 JMP X

$Ad(IR)\rightarrow PC$ ，直接将指令中的形式地址送入PC，因为JMP后跟着的操作数往往就是需要跳转执行的指令地址
条件转移 BAN X

$A_0·Ad(IR)+\overline{A_0}(PC)\rightarrow PC$ ，条件转移实际上是看ACC的首位 $A_0$ 是否为负数（对应高电平，因为符号位取1代表负数）。是负数则转移，否则不转移。

指令周期

各类指令对应的指令周期总结如下图：

只要查看有无间接过程，就能判断有无间址周期。否则，大部分指令只需要取指周期和执行周期。判断指令经过的具体周期后，就能根据细分的周期分析执行指令时需要的微指令。

中断周期

除了取指、间址、执行外，还有一类特殊的周期是中断周期。中断往往是由外部I/O设备对CPU发出的请求产生的，所以他们有特殊的微指令操作。

我们在第八章介绍中断系统时已经讨论过，在中断周期内执行的三个步骤：

保存程序断点
形成中断服务程序入口地址
关中断

以上三个步骤务必牢记。接下来我们就这三个步骤讨论CU在此过程中的作用。

保存断点

保存断点我们介绍了两种方法：将断点地址存于特殊的主存空间内（0号地址），入栈保存。相应的，他们的微指令操作也各不相同。

存入“0”地址
1. $0\rightarrow MAR$
  
  将0号地址送入MAR中
2. $1\rightarrow W$
  
  控制线输出写信号
3. $PC\rightarrow MDR$
  
  将此时PC的内容，也即程序断点地址送入MDR中
4. $MDR\rightarrow M(MAR)$
  
  将MDR的数据送入主存的0号地址
断点入栈
1. $SP-1\rightarrow MAR$
  
  将栈顶指针（栈指针寄存器）的值减一，把此处的地址送入MAR
2. $1\rightarrow W$
  
  控制线发出写信号
3. $PC\rightarrow MDR$
  
  程序断点地址送入MDR
4. $MDR\rightarrow M(MAR)$
  
  把MDR的数据送入对应的栈空间

形成入口中断地址

形成入口地址我们也介绍了两种方式：硬件向量法与软件查询法

硬件向量法： $向量地址\rightarrow PC$ ，即直接把形成的向量地址送入PC即可

软件查询法： $中断程序识别入口地址M\rightarrow PC$ ，此时PC跳转至软件查询法提供的中断识别程序M执行，程序M会再把入口的地址送入PC。注意这里并没有直接把中断的真正入口地址直接送给PC，而是分成了两步

关中断

关中断即把EINT置0即可。

$0\rightarrow EINT$

微指令小结

通过以上对各个指令周期中CU输出的微指令分析，我们可以总结出CU的一些规律：

如果指令不访存，则不涉及总线传输、MDR和MAR。CU仅在CPU内输出简单的单步或双步信号。
如果指令访存，如取指、存数、断点保存等过程，一般要涉及到总线和主存寄存器的使用。首先要将需要取数/写数的地址送入MAR，再由控制寄存器设置相应的读写信号，接着就可以把要写的数据送入MDR或者把访存的数据存入MDR，最后再把MDR内的数据写入主存或者送入CPU的ACC内。
如果指令涉及转移，则一般还要用上PC寄存器。注意是有条件转移还是无条件转移。

控制单元的功能

以上微指令的分析流程想必大家都已经有了个大概的轮廓，但我们都只是基于符号表示给出了形式上的说明，本节我们就来学习在硬件上CU是如何驱动完成这些功能的。

我们先给出CU的一幅结构图。

我们根据这幅图来介绍与CU有关的输入信号和输出信号。

输入信号

由图可知，CU接受以下四个输入信号：

时钟

CU受时钟控制，一个时钟脉冲下，CU可以发送一个或者一组需要同时执行的操作命令。是驱动计算机运行的最基础信号，也是我们后续介绍多级时序系统的基础。
指令寄存器

即 $OP(IR)\rightarrow CU$ 时，存储指令中操作码的信息。控制信号的发出依赖于操作码。
标志

CU还受标志控制，比如条件转移标志位
外来信号

比如INTR中断请求、HRQ总线请求等

输出信号

由图可知，CU输出的信号可分为两类：CPU内的各种控制信号和送至控制总线的信号。

CPU内的控制信号

如： $R_i\rightarrow R_j$ 寄存器之间的赋值操作

$(PC)+1\rightarrow PC$ 指令计数器递增

ALU中的+、-、与、或等各种算数控制信号
送至控制总线的信号

$\overline{MERQ}$ 访存控制信号

$\overline{IO}/M$ 访问IO/存储器的控制信号

$\overline{RD}、\overline{WR}$ 读命令与写命令

$INTA$ 中断响应信号

$HLDA$ 总线响应信号

举例

这里主要谈谈CPU中分散连接和采用CPU内总线通信的两种结构，简单的过一下。只要掌握了CU微指令流程其实就很简单。

下图是分散连接的一个示例：

可以看到这么做需要比较繁多的线路，如果我们引入CPU内部总线，就可以大大简化电路。

可以看到，引入内部总线后，CPU内各部件的通信只需要依赖于一根总线，而无须庞杂繁琐的各部件都连线。其中还有一点变化需要注意：ALU多了寄存器Y和Z，Y用来存放另一操作数，Z用来临时放计算结果，防止结果放入总线后又被ALU读入。

多级时序系统

终于来到了本章的重头戏——多级时序系统。别被这个高大上的名称吓到了，其实内容很简单，就是一个概念的套娃。指令周期>机器周期>时钟周期。

我们来学习一下机器周期和时钟周期的概念，就可以理解多级时序系统了。

机器周期

机器周期，即所有指令执行过程的一个基准时间。通常指的是完成一个特定功能所需的一系列时钟周期。例如，从内存中读取数据或写入数据可能需要多个时钟周期来完成。机器周期通常包括数据传输、地址访问、控制信号的建立等。

通常我们确定机器周期时，需要考虑每条指令的执行步骤和每一步骤所需的时间。一般来说，我们把完成最复杂指令功能的时间作为机器周期的基准时间。最复杂指令通常是访存操作，所以我们一般是以访问一次存储器的时间为基准。

如果指令字长＝存储字长，那么取指周期=机器周期。

每个机器周期内部也有很多微操作，有先后顺序。所以机器周期内部也需要有多个时钟周期，由时钟控制微操作先后顺序。

时钟周期

时钟周期，又称节拍或者状态，是计算机中最基本的时间单位，可以用时钟周期控制产生一个或几个微操作的命令。

如果微操作可并行，则一个机器周期内可完成若干个微操作。

时钟周期与机器周期的关系如下图：

可以看到，时钟周期的每一个上升沿会给T₀一个信号，微操作的下降沿又会激活下一个微操作。一组由时钟周期调控的微操作组成一个机器周期。

多级时序系统

机器周期、节拍（状态、时钟周期）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。

控制方式

产生一个微指令操作后，下一个指令什么时候产生呢？我们有几种控制方式：同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式和人工控制方式。

我们主要介绍同步控制方式，这也是大多数计算机目前所在采用的控制方式。

同步控制方式

同步控制方式，即任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制。它的特征是，一定有一个定宽定距的时钟。

同步控制方式有三种类别：

采用定长的机器周期

这种方式强制规定了机器周期内的节拍数相同，此时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。这就导致了在一些相对简单的机器周期内，会产生空闲的节拍，即浪费了部分时钟周期。
采用不定长的机器周期

即机器周期内的节拍数不等，执行指令过程较短的话可以含较少的节拍，如果执行指令过程较长则可以延长节拍。
中央控制和局部控制相结合

还可以采用采用中央控制和局部控制相结合的方法，即执行较长的延长的周期由局部节拍进行控制。