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《计算机组成原理》第 9 章 - 控制单元的功能

news 来源：原创 2025/6/2 4:38:08

🔍 9.1 微操作命令的分析

🔹 9.1.1 取指周期

🔹 9.1.2 间址周期

🔹 9.1.3 执行周期

🔹 9.1.4 中断周期

🚀 9.2 控制单元的功能

🔹 9.2.1 控制单元的外特性

🔹 9.2.2 控制信号举例

🔹 9.2.3 多级时序系统

🔹 9.2.4 控制方式

1. 同步控制方式

2. 异步控制方式

3. 联合控制方式

💡 总结

🔍 9.1 微操作命令的分析

🔹 9.1.1 取指周期

功能：从内存中取出指令并送入指令寄存器（IR）。
核心微操作：

PC 内容送地址总线（MAR）
发读命令（Memory Read）
内存数据送数据总线（MDR）→ IR
PC 自动加 1

Java 代码示例：取指周期模拟

/*** 模拟取指周期操作*/
public class FetchCycle {private int pc; // 程序计数器private int mar; // 存储器地址寄存器private int mdr; // 存储器数据寄存器private int ir; // 指令寄存器// 取指周期执行方法public void execute() {// 1. PC内容送MARmar = pc;System.out.println("取指周期：PC(" + pc + ") → MAR(" + mar + ")");// 2. 发读命令（模拟内存读取）mdr = simulateMemoryRead(mar); // 假设内存返回指令码System.out.println("取指周期：内存读取数据 → MDR(" + mdr + ")");// 3. MDR数据送IRir = mdr;System.out.println("取指周期：MDR(" + mdr + ") → IR(" + ir + ")");// 4. PC自动加1（假设指令占1字长）pc += 1;System.out.println("取指周期：PC自增 → PC(" + pc + ")");}// 模拟内存读取（简化逻辑）private int simulateMemoryRead(int address) {// 假设地址0存储指令码0x1234（示例数据）return (address == 0) ? 0x1234 : 0;}
}

流程图位置：

🔹 9.1.2 间址周期

功能：处理指令中的间接寻址，获取操作数真实地址。
核心微操作：

MDR 内容送 MAR（间接地址→MAR）
发读命令（读取操作数地址）
内存数据送 MDR（真实地址→MDR）

Java 代码示例：间址周期模拟

/*** 模拟间址周期操作*/
public class IndirectCycle {private int mdr; // 存储器数据寄存器（存储间接地址）private int mar; // 存储器地址寄存器private int memory[] = new int[1024]; // 模拟内存（简化）// 间址周期执行方法（假设MDR已存间接地址）public int execute() {// 1. MDR→MAR（间接地址→地址总线）mar = mdr;System.out.println("间址周期：MDR(" + mdr + ") → MAR(" + mar + ")");// 2. 发读命令（读取操作数真实地址）int realAddress = memory[mar];System.out.println("间址周期：内存读取真实地址 → MDR(" + realAddress + ")");return realAddress; // 返回操作数真实地址}// 初始化内存（示例数据：地址100存储间接地址200）public void initMemory() {memory[100] = 200; // 间接地址指向200}
}

流程图位置：

🔹 9.1.3 执行周期

功能：根据指令操作码执行具体运算或逻辑操作。
案例：加法指令（ADD R1, R2）
微操作：

R1 内容送 ALU
R2 内容送 ALU 并执行加法
结果送 R1

Java 代码示例：执行周期模拟

/*** 模拟执行周期（加法指令）*/
public class ExecuteCycle {private int[] register = new int[4]; // 模拟寄存器R0-R3private ALU alu = new ALU(); // 算术逻辑单元// 执行加法指令（ADD dst, src）public void executeAdd(int dst, int src) {int op1 = register[dst];int op2 = register[src];int result = alu.add(op1, op2); // 调用ALU加法功能register[dst] = result;System.out.println("执行周期：R" + dst + "(" + op1 + ") + R" + src + "(" + op2 + ") → R" + dst + "(" + result + ")");}// 初始化寄存器（示例：R1=5, R2=3）public void initRegisters() {register[1] = 5;register[2] = 3;}
}// ALU类（简化实现）
class ALU {public int add(int a, int b) {return a + b;}
}

流程图位置：

🔹 9.1.4 中断周期

功能：响应中断请求，保存断点并转入中断服务程序。
核心微操作：

PC→内存（保存当前程序计数器）
中断服务程序入口地址→PC

Java 代码示例：中断周期模拟

/*** 模拟中断周期操作*/
public class InterruptCycle {private int pc; // 程序计数器private int[] memory = new int[1024]; // 模拟内存（保存断点）private final int INTERRUPT_VECTOR = 0x100; // 中断向量地址// 中断周期执行方法public void execute() {// 1. 保存当前PC到内存（假设内存地址0存储断点）memory[0] = pc;System.out.println("中断周期：PC(" + pc + ") → 内存[0]");// 2. 加载中断服务程序入口地址到PCpc = INTERRUPT_VECTOR;System.out.println("中断周期：PC←中断向量(" + INTERRUPT_VECTOR + ")");}
}

流程图位置：

🚀 9.2 控制单元的功能

🔹 9.2.1 控制单元的外特性

输入信号：

时钟信号（Clock）
指令操作码（OP Code）
中断请求（IRQ）
状态信号（如 ZF 标志位）

输出信号：

内存读写命令（Read/Write）
寄存器控制信号（如 RegWrite）
总线控制信号（如 BusEnable）

🔹 9.2.2 控制信号举例

信号名称	功能描述	示例场景
`PCOut`	允许 PC 内容输出到总线	取指周期 PC→MAR
`IRWrite`	允许数据写入指令寄存器	取指周期 MDR→IR
`MemRead`	内存读命令	取指周期读取指令
`ALUOp`	控制 ALU 运算类型（加法 / 减法等）	执行周期加法指令

代码关联：
在前面的 Java 示例中，FetchCycle类的execute()方法隐含了PCOut和IRWrite等控制信号逻辑。

🔹 9.2.3 多级时序系统

三级时序结构：

机器周期（CPU 周期）：完成一个基本操作的时间（如取指周期）
节拍电位（时钟周期组）：机器周期内的分段时序（如取指周期分为 4 个节拍）
节拍脉冲（时钟周期）：最小时间单位

Java 模拟思路：

// 简化的时序系统类
public class TimingSystem {private int machineCycle; // 机器周期计数器private int beat; // 节拍计数器public void nextCycle() {machineCycle++;beat = 0; // 每个机器周期重置节拍}public void nextBeat() {beat++;}
}