计算机组成原理第八章（控制单元的功能）—第一节（微操作命令的分析）

本文主要是介绍计算机组成原理第八章（控制单元的功能）—第一节（微操作命令的分析），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

写在前面：

本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、微程序

1、控制单元发出微操作命令

控制单元具有发出各种微操作命令（即控制信号）序列的功能。

概括地说，计算机的功能就是执行程序，在执行程序的过程中，控制单元要发出各种微操作命令，而且不同的指令对应不同的命令。进一步分析发现，完成不同指令的过程中，有些操作是相同或相似的，如取指令、取操作数地址（当间接寻址时）以及进入中断周期由中断隐指令完成的一系列操作。

2、指令与程序、微指令与微程序

（1）程序由指令序列组成，微程序由微指令序列组成，每一种指令对应一个微程序。

（2）指令是对程序执行步骤的描述，微指令是对指令执行步骤的描述，换句话说，指令是对微指令功能的封装。

（3）微指令中可能包含多个微命令，微命令与微操作一一对应。

（4）同一个微操作可能在不同指令的不同阶段被使用。

（5）控制单元CU发出一个微命令，可完成这个微命令对应的微操作。

二、取指周期

假设CPU内有4个寄存器，如下图所示。MAR与地址总线相连，存放欲访问的存储单元地址；MDR与数据总线相连，存放欲写入存储器的信息或最近从存储器中读出的信息；PC存放现行指令的地址，有计数功能；R存放现行指令。

取指令的过程可归纳为以下几个操作：

①现行指令地址送至存储器地址寄存器，记作PC→MAR（→地址线）。

②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1→R。

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（指令）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR。

④将MDR的内容送至IR，记作MDR→IR。

⑤指令的操作码送至CU译码，记作OP(IR)→CU。

⑥形成下一条指令的地址，记作(PC)+1→PC。

三、间址周期

间址周期完成取操作数有效地址的任务，具体操作如下：

①将指令的地址码部分（形式地址）送至存储器地址寄存器，记作d(IR)→MAR。

②向主存发送读命令，启动主存做读操作，记作1→R。

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（有效地址）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR。

④将有效地址送至指令寄存器的地址字段，记作MDR→Ad(IR)。此操作在有些机器中可省略。

四、执行周期

1、非访存指令执行周期的微操作

（1）清除累加器指令CLA：

该指令在执行阶段只完成清除累加器操作，记作 $0\rightarrow ACC$ 。

（2）累加器取反指令COM：

该指令在执行阶段只完成累加器内容取反，结果送累加器的操作，记作 $\overline{ACC}\rightarrow ACC$ 。

（3）算术右移一位指令SHR：

该指令在执行阶段只完成累加器内容算术右移一位的操作，记作 $L(ACC)\rightarrow R(ACC)$ ， $ACC_{0}\rightarrow ACC_{0}$ （ACC的符号位不变）。

（4）循环左移一位指令CSL：

该指令在执行阶段只完成累加器内容循环左移一位的操作，记作 $R(ACC)\rightarrow L(ACC)$ ， $ACC_{0}\rightarrow ACC_{n}$ （或 $\rho ^{-1}(ACC)$ ）。

（5）停机指令STP：

计算机中有一个运行标志触发器G，当G=1时表示机器运行，当G=0时表示停机。STP指令在执行阶段只需将运行标志触发器置“0”，记作 $0\rightarrow G$ 。

2、访存指令执行周期的微操作

（1）加法指令ADD X：

该指令在执行阶段需要完成累加器内容与对应于主存X地址单元的内容相加，结果送累加器的操作，具体如下：

①将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR。

②向主存发读命令，启动主存做读操作，记作1→R。

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（操作数）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR。

④给ALU发送加命令，将ACC的内容和MDR的内容相加，结果存于ACC，记作(ACC)+(MDR)→ACC。

当然，也有的加法指令指定两个寄存器的内容相加，如“ADD AX，BX”，该指令在执行阶段无须访存，只需完成(AX)+(BX)→AX的操作。

（2）存数指令STA X：

该指令在执行阶段需将累加器ACC的内容存于主存的X地址单元中，具体操作如下：

①将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→>MAR。

②向主存发写命令，启动主存做写操作，记作1→W。

③将累加器内容送至 MDR，记作ACC→MDR。

④将MDR的内容（通过数据总线）写入MAR（通过地址总线）所指的主存单元中，记作MDR→M(MAR)。

（3）取数指令LDA X：

该指令在执行阶段需将主存X地址单元的内容取至累加器ACC中，具体操作如下：

①将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR。

②向主存发读命令，启动主存作读操作，记作1→R。

③将MAR（通过地址总线）所指的主存单元中的内容（操作数）经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR。

④将MDR的内容送至ACC，记作MDR→ACC。

3、转移类指令执行周期的微操作

（1）无条件转移指令JMP X：

该指令在执行阶段完成将指令的地址码部分X送至PC的操作，记作Ad(IR)→PC。

（2）条件转移（负则转）指令BAN X：

该指令根据上一条指令运行的结果决定下一条指令的地址，若结果为负（累加器最高位为1，即 $A_{0}=1$ ），则指令的地址码送至PC，否则程序按原顺序执行。由于在取指阶段已完成了(PC)+1→PC，所以当累加器结果不为负（即A=0）时，就按取指阶段形成的PC执行，记作 $A_{0}\cdot Ad(IR)+\overline{A_{0}}\cdot PC\rightarrow PC$ 。