计算机组成与结构：letcure 15 Control Unit Operation.pdf

计算机组成与结构是计算机科学中的基础学科，主要探讨计算机硬件如何执行指令和处理数据。在“Control Unit Operation”这一主题中，我们重点关注控制单元（Control Unit, CU）的运作，它是处理器的核心部分，负责协调和控制整个计算机系统。 首先，我们要理解微操作（Micro-Operations）的概念。计算机在执行程序时，会经历一个反复的取指-执行循环（Fetch/Execute Cycle）。每个这样的循环由一系列小步骤构成，这些步骤被称为微操作。由于CPU的操作必须是原子性的，即不可分割的，所以每个微操作完成的任务都非常简单。例如，在取指阶段，我们需要将程序计数器（Program Counter, PC）的值加载到内存地址寄存器（Memory Address Register, MAR），然后从内存读取数据到内存缓冲寄存器（Memory Buffer Register, MBR），最后将指令寄存器（Instruction Register, IR）设置为读取的数据。这个过程可以分解为三个微操作：t1、t2和t3。 在执行这些微操作时，必须遵循特定的时序规则，以确保正确执行。例如，MAR的更新必须先于MBR的读取，以避免冲突。同时，不能在同一时钟周期内对同一寄存器进行读写操作，如MBR从内存读取数据和IR从MBR装载数据不能在同一周期完成。此外，PC的加1操作可能需要通过算术逻辑单元（ALU）进行，这可能需要额外的微操作来实现。 间接寻址周期（Indirect Cycle）是另一种控制单元需要处理的复杂情况。在这个过程中，指令的地址字段被用来加载到MAR中，从而获取内存中的地址，再将这个地址加载回IR，使得IR的状态如同使用直接寻址一样。这意味着IR不仅存储指令本身，还可以间接地存储指令的地址，增加了指令的灵活性。 控制单元的功能还包括与其他处理器组件的交互，比如寄存器、输入/输出模块和内存模块的接口，以及中断处理。控制信号（Control Signals）是控制单元与外部组件通信的关键，它们指示何时启动或停止特定的操作。控制单元的输入（Control Unit Inputs）是来自外部世界的信息，而控制单元逻辑（Control Unit Logic）则决定如何根据这些输入生成适当的控制信号。 硬连线实现（Hardwired Implementation）是一种常见的控制单元构造方法，其中控制逻辑是通过硬件线路直接实现的，这种方法速度快但不灵活。另外，微程序控制（Microprogrammed Control）则允许更灵活的控制单元设计，通过存储在控制存储器中的微指令序列来实现控制逻辑，虽然速度较慢，但可编程性更强。 总的来说，控制单元在计算机组成中扮演着至关重要的角色，它确保了计算机系统中各个部件的协同工作，按照预定的顺序和规则执行复杂的计算任务。理解和掌握控制单元的运作原理对于深入理解计算机系统的工作机制至关重要。