计算机组成原理19——控制单元的功能和实现1

本系列文章是学习了网课《哈尔滨工业大学–计算机组成原理》之后，用以梳理思路而整理的听课笔记及相关思维拓展。本文涉及到的观点均为个人观点，如有不同意见，欢迎在评论区讨论。

四种周期下的微操作命令

程序在输入至计算机之后，解析成各种指令，这些指令还不能直接被计算机执行，需要输入至控制单元。控制单元将进一步分析这些指令，将其转化为可以操作计算机的微指令序列，从而控制计算机执行程序。

下面以指令周期中的四个阶段进一步分析其对应的微操作指令。

取指周期

假设CPU内有四个寄存器：
MAR与地址总线相连，存放欲访问的存储单元地址；
MDR与数据总线相连，存放欲写入存储器的信息或最近从存储器读出的信息；
PC存放现行指令的地址，有计数功能；
IR存放现行指令。

取指令的操作可以归纳为以下几个操作：
1、PC ->MAR，现行指令地址送到存储器地址寄存器；
2、向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1->R；
3、将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至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

具体操作如下：
1、将指令的地址码（形式码）部分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所指的主存单元中的内容经数据总线读至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）。

执行周期

不同的指令执行周期不同，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。、

非访存指令

这类指令在执行周期内不访问内存。

1、清除累加器指令CLA，清除累加器，0->ACC
2、累加器取反指令COM，累加器取反，$\overline{ACC}->ACC$
3、算术右移一位指令SHR，累加器算术右移一位，L（ACC）->R（ACC）
4、循环左移一位指令CSL，累加器循环左移一位，R（ACC）->L（ACC）
5、停机指令STP，计算机中有运行标志触发器G。当G=1时，表示机器运行；当G=0时，表示机器停机。STP指令将G置为0。

访存指令

这类指令在执行阶段都需要访问存储器。

1、加法指令ADD X，需要完成累加器内容与对应于主存X地址单元的内容相加，送至累加器。
①将指令的地址码送至存储器地址寄存器，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所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR中，记作M（MAR）-> MDR
④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

2、存数指令STA X，将指令在执行阶段，将ACC的内容存于主存的X地址单元中。
①将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad（IR）-> MAR
②向主存发送写命令，启动主存做写操作，记作1 -> W
③将累加器内容送至MDR，记作ACC -> MDR
④将MDR的内容写入MAR所指的主存单元中，记作MDR -> M（MAR）

3、取数指令LDA X，该指令在执行阶段将主存X地址单元的内容取至ACC中。
①将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad（IR） -> MAR
②向主存发读命令，启动主存作读操作，记作1 -> R
③将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内，记作M（MAR） -> MDR
④将MDR的内容送至ACC，记作MDR -> ACC

转移类指令

这类指令在执行阶段不访问存储器。

1、无条件转移指令JMP X
将指令的地址码部分送至PC，记作Ad（IR） -> PC

2、条件转移指令BAN X
该指令根据上一条指令运行的结果决定下一条指令的地址。若结果为负，则指令的地址码送至PC；若指令不为负，则源程序按照顺序执行。

中断周期

在执行周期结束时刻，CPU需要查询是否有请求中断的事件发生，如果有则进入中断周期。
假设程序断点存至主存的0地址单元，且采用硬件向量法寻找入口地址，则在中断周期需完成以下操作：

  ①将特定地址0送至存储器地址寄存器，记作0->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的内容送至MDR，记作PC->MDR
  ④将MDR的内容通过数据总线写入MAR所指的主存单元中，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，为下一条指令的取指周期做准备
  ⑥关中断，将允许中断触发器清零，记作0->EINT。
  如果程序断点不存入内存，而是存入堆栈，只需将①改为（SP）-1 -> SP，且SP -> MAR。