控制单元的功能详解：指令执行与控制信号

"该资源是哈尔滨工业大学唐朔飞教授关于计算机组织与结构的课程资料，主要讲解了控制单元（Control Unit, CU）的功能，包括其对外特性、输入输出信号以及控制信号的产生和作用，通过具体例子展示了指令执行的各个周期，如取指、间址和执行周期，并讨论了采用CPU内部总线和不采用内部总线两种方式对控制信号的影响。" 正文: 在计算机系统中，控制单元是CPU的核心部分，负责协调和管理所有硬件组件的操作。第09章深入解析了控制单元的功能，主要分为以下几个方面： 一、控制单元的外特性 控制单元(CU)由多个组成部分构成，如指令寄存器(IR)、时钟、标志以及与系统总线交互的控制信号。时钟是CPU运行的基准，提供同步信号；指令寄存器用于存储当前执行的指令；标志通常反映运算结果的状态，如溢出、进位等；控制单元则根据这些输入生成内部的控制信号，并向系统总线发送或接收控制信号。 二、控制单元的输入信号 1. 时钟：控制单元受到时钟的严格控制，每个时钟脉冲会触发一个操作命令或一组同时执行的操作。 2. 指令寄存器：存储从内存读取的指令，操作码决定了CU执行的操作。 3. 外来信号：如中断请求(INTR)和总线请求(HRQ)等，影响CPU的执行流程。 4. 标志：运算结果的状态会影响控制单元的决策，例如决定是否需要执行分支操作。 三、控制单元的输出信号 1. CPU内部的控制信号：如ALU的操作控制（如加、减、逻辑与、逻辑或等）、寄存器读写控制等。 2. 送至控制总线的信号：包括访存控制信号（如MREQ, IO/M, RD, WR等）和中断响应信号、总线响应信号等，这些信号控制着数据和地址总线的传输以及与其他设备的通信。 四、控制信号举例 以ADD@X指令为例，展示了取指、间址和执行三个周期的不同控制信号： - 取指周期：CU发出读命令，从程序计数器(PC)获取地址，读取指令到指令寄存器(IR)，并更新PC。 - 间址周期：根据IR中的操作数地址，CU生成地址并访问存储器(MAR, MDR)。 - 执行周期：CU根据IR中的操作码，控制ALU执行加法操作，并可能更新标志寄存器。 五、CPU内部总线的使用 1. 不采用内部总线：控制信号直接连接各个部件，信号线直接对应操作，如ADD@X的执行周期中，CU通过不同的控制信号C1、C2、C5、C7、C6、C8等控制ALU、寄存器和存储器的操作。 2. 采用内部总线：数据线、地址线和控制信号通过内部总线进行交换，简化了硬件设计，提高了灵活性和扩展性。 控制单元在计算机系统中起着关键的作用，通过解析和生成控制信号，协调整个CPU的运行，确保指令的正确执行。理解控制单元的工作原理有助于深入掌握计算机系统的基础架构。