第09章 控制单元的功能(哈工大-唐朔飞).ppt
控制单元是计算机硬件系统中的核心组件之一,负责协调和管理整个系统的操作。在第09章“控制单元的功能”中,主要讨论了控制单元(Control Unit,简称CU)如何解析操作命令并生成相应的控制信号,以及控制单元与系统总线之间的交互。 1. **指令寄存器**:控制单元接收从内存中读取的指令,并将其存储在指令寄存器(Instruction Register,IR)中。指令寄存器的作用是暂时保存当前正在执行的指令,便于后续的指令解码和执行。 2. **控制单元的输入信号**: - **时钟(Clock)**:计算机的运行是基于时钟脉冲的,时钟信号是所有操作的基础,它同步着CPU内部的操作。 - **指令寄存器(IR)**:提供当前要执行的指令的编码。 - **外来信号(External Signals)**:包括中断请求(INTR)等外部事件的信号。 - **标志(Flags)**:反映计算结果的状态,如进位、零、溢出等。 3. **控制单元的输出信号**: - **CPU内部的控制信号**:如寄存器读写、ALU操作等。 - **送至控制总线的信号**:这些信号用于与内存、I/O设备和其他系统组件通信,如访存控制信号(MREQ, IO/MRD, WR)、地址线和数据线的控制。 4. **控制信号的生成**:控制单元根据时钟信号和当前指令的操作码,生成一系列控制信号,指导CPU执行相应的操作。例如,在ADD @X指令的执行过程中,控制单元会发出读内存(M, D, R)的命令,将内存中的数据加载到ALU,进行加法运算,然后将结果写回内存或寄存器。 5. **不采用CPU内部总线的方式**:在这种情况下,控制信号直接从控制单元输出到各个部件,信号线明确且独立,但可能导致线路复杂、占用硬件资源较多。 6. **采用CPU内部总线的方式**:通过内部总线,CPU可以更高效地共享数据和控制信号,简化硬件设计,提高系统效率。例如,在取指、间址和执行周期,控制信号会通过内部总线传输,使得数据和地址的传递更加灵活。 7. **控制信号举例**:以ADD @X指令为例,取指周期中,控制单元会发送读取内存指令到地址寄存器(PC),然后读取内存并将指令存入IR;间址周期中,根据IR中的地址读取内存数据;执行周期,控制单元根据指令操作码控制ALU进行加法运算,并更新标志位。 8. **控制信号的作用**:控制信号如Ri、Rj、PC、INTA、HLDA等,分别对应寄存器读写、程序计数器、中断请求、访存控制等操作,确保CPU能够正确执行指令序列并响应外部事件。 控制单元的功能在于解析指令,生成和调度控制信号,协调CPU内部各部分的操作,以及与外部设备的通信,它是实现计算机自动化运行的关键。通过不同的设计方式,如采用内部总线,可以优化控制信号的传输和处理,提高计算机系统的性能和效率。
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