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。