本系列文章是学习了网课《哈尔滨工业大学–计算机组成原理》之后，用以梳理思路而整理的听课笔记及相关思维拓展。本文涉及到的观点均为个人观点，如有不同意见，欢迎在评论区讨论。

控制单元的外特性

输入信号
1、时钟
控制单元控制硬件有两点需要注意：1，每个操作都需要占用时间，2、各个操作有先后顺序。
为了让控制单元按照一定先后顺序、一定的节奏发出各个控制信号，控制单元必须受时钟控制，每一个时钟脉冲使控制信号发送一个操作命令，或发送一组操作命令。
2、指令寄存器
不同指令在执行周期内完成不同的操作，指令的操作码字段是控制信号的输入信号，与时钟配合产生不同的控制信号。
3、标志
控制单元有时需要根据CPU当前的状态产生控制信号。
4、来自系统总线的控制信号
中断请求、DMA请求等

输出信号
1、CPU内的控制信号，用于实现CPU内的寄存器之间的传送和控制ALU实现不同的操作。
2、送至系统总线的信号，如，命令主存或I/O读写、中断响应等。

控制信号举例-

1、不采用CPU内部总线的方式，以加法指令“ADD @X”为例。

1）取指周期
控制信号C0有效，打开PC送往MAR的控制门。
控制信号C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门。
通过控制总线向主存发读命令。
C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门。
C3有效，打开MDR和IR之间的控制门，至此指令送至IR。
C4有效，打开指令操作码送至CU的输出门。CU在操作码和时钟的控制下，产生各种控制信号。
使PC内容加1。

2）间址周期
C5有效，打开MDR和MAR之间的控制门，将指令的形式地址送至MAR。
C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门。
通过控制总线向主存发读命令。
C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门，至此，将有效地址存入MDR。
C3有效，打开MDR和IR之间的控制门，将有效地址送至IR的地址码字段。

3）执行周期
C5有效，打开MDR和MAR 之间的控制门，将有效地址送至MAR
C1有效，打开MAR送往地址总线的输出门
通过控制总线向主存发读命令
C2有效，打开数据总线送至MDR的输入门，将操作数存入MDR
C6、C7同时有效，打开AC和MDR通往ALU的控制门
通过CPU内部控制总线对ALU发ADD控制信号，完成AC的内容和MDR的内容相加
C8有效，打开ALU通往AC的控制门，至此将求和结果存入AC

2、采用CPU内部总线的方式
图中每一个小圈处都有一个控制信号，它控制寄存器到总线或总线到寄存器之间的传送。例如，$I{R}_i$示控制从内部总线到指令寄存器的输入控制门；$P{C}_o$表示控制从程序计数器到内部总线的输出控制门。下标为i示输入控制，下标为o表示输出控制，以此类推。
多了两个寄存器Y和Z，因为ALU需要保证运算中两个输入端不变：一个输入来自Y，另一个来自总线，Y的存在使得CPU可以实现任意两个寄存器之间的算逻运算，先送一个数到Y，另一个数通过总线。此外ALU的输出不能直接输出到总线，因为总线和ALU输入相连，需要寄存器Z暂存运算结果，再送入执行的目标。

还是以ADD @X为例
1）取指周期
$P{C}_o$和$MA{R}_i$控制有效，PC经内部总线送至MAR，PC->MAR
通过控制总线向主存发读指令，1->R
存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容送至MDR
$MD{R}_o$和$I{R}_i$控制有效，将MDR的内容送至IR，MDR->IR，指令送至IR，操作码字段开始控制CU
PC内容+1

2）间址周期
$MD{R}_o$和$MA{R}_i$有效，将指令的形式地址经内部总线送至MAR，即MDR->MAR
通过控制总线向主存发读命令，1->R
存储器通过数据总线将MAR所指单元内容送至MDR
$MD{R}_o$和$MA{R}_i$有效，将MDR中的有效地址送至IR的地址码字段，即MDR->Ad（IR）

3）执行周期
$MD{R}_o$和$MA{R}_i$有效，将有效地址经内部总线送至MAR，MDR->MAR
通过控制总线向主存发读命令，1->R
存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容送至MDR
$MD{R}_o$和$Y_i$有效，将操作数送至Y，MDR->Y
$A{C}_o$和$AL{U}_i$有效，同时CU向ALU发“ADD”控制信号，使AC的内容和Y的内容相加，结果送寄存器Z，（AC）+ （Y）-> Z
$Z_o$和$A{C}_i$有效，将运算结果存入AC，Z->AC

多级时序系统

1、机器周期
可以看作所有指令执行过程中的一个基准时间，想要找到一个基准时间，在这个基准时间内，所有指令的操作都能结束。
但是，若将这个基准时间定为机器周期，并不合理，因为只有以完成复杂指令功能所需的时间为基准，才能保证所有指令在此时间内完成全部操作，这显然不利于简单指令。
机器内的各种操作可以分为对CPU内部的操作和对主存的操作两大类，因为CPU内部操作速度快，CPU访存时间长，所以将对存储器访问的时间定为基准时间比较合理，这个基准时间就是机器周期。

2、时钟周期（节拍、状态）
在一个机器周期里可以完成若干个微操作，每个微操作都需要一定的时间，可以用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。图中显示每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。

3、多级时序系统
一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。机器周期、节拍构成了多级时序系统。

控制方式

上面的多级时序系统中，可以看到，不同的指令，其中包含的机器周期不同，机器周期中可能的节拍也不同。那么该如何控制CU产生这些微操作序列呢？

常见的CU控制方式有：同步控制、异步控制、联合控制和人工控制四种。

1、同步控制方式
任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的，并且都是受统一基准时标的时序信号所控制的方式。
同步控制中有三种方案：
1）采用定长的机器周期
像多级时序系统中说的，如果采用最长的存取周期作为机器周期，CPU效率会大大降低，因为简单指令执行的时间被拉长了。
2）采用不定长的机器周期
这种方案，每个机器周期内的节拍数可以不等，复杂指令通过延长机器周期或增加节拍的方法解决。

3）采用中央控制和局部控制相结合的方法
大部分指令安排在统一的、较短的机器周期内完成，称为中央控制；少数操作复杂的指令中的某些操作采用局部控制方式来完成。就是在中央控制的节拍中加入局部控制的节拍。

2、异步控制方式
上述同步控制，机器周期可能定长，节拍长度需要一直保持。异步通信不存在基准时标信号，采用应答方式，一个微操作执行完成之后，发出应答信号再进行下一步操作。

3、联合控制方式
同步和异步相结合。大部分采用同步方式，难以确定时间的指令，采用异步操作。

4、人工控制方式
为了调机和软件开发的需要，在机器面板或者内部设置一些开关或按键，来达到人为控制的目的。