控制單元的組合邏輯設計.docx

第十章控制單元的設計本章以10條機器指令為例，介紹控制單元的兩種設計方法。第一節(jié)組合邏輯設計一、組合邏輯控制單元框圖從控制單元的外特性圖中可以看出，指令的操作碼是決定控制單元發(fā)出不同控制信號的關鍵。為了簡化控制單元的邏輯，將存放在IR的n位操作碼經(jīng)過一個譯碼電路產(chǎn)生2n個輸出， 這樣，每對應一種操作碼便有一個輸出送至CU。當然，若指令的操作碼長度可變，指令譯碼線路將更復雜。控制單元的時鐘輸入實際上是一個脈沖序列，其頻率即為機器的主頻，它使CU能按一定的節(jié)拍(T)發(fā)出各種控制信號。 節(jié)拍的寬度應滿足數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)總線從源到目的所需的時間。以時鐘為計數(shù)脈沖，通過一個計數(shù)器，又稱節(jié)拍發(fā)生器，便可產(chǎn)生一個與時鐘周期等寬的節(jié)拍序列。如果將指令譯碼和節(jié)拍發(fā)生器從CU中分離出來，便可得簡化的控制單元框圖，如下圖所示。二、微操作的節(jié)拍安排假設機器采用同步控制，每個機器周期包含3個節(jié)拍，而且CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)為非總線結(jié)構(gòu)，其中MAR和MDR分別直接和地址總線和數(shù)據(jù)總線相連，并假設IR的地址碼部分與MAR之間有通路。安排微操作節(jié)拍時應注意三點：第一，有些微操作的次序是不容改變的，故安排微操作節(jié)拍時必須注意微操作的先后順序。第二，凡是被控制對象不同的微操作，若能在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，應盡可能安排在同一個節(jié)拍內(nèi)，以節(jié)省時間。第三，如果有些微操作所占的時間不長，應該將它們安排在一個節(jié)拍內(nèi)完成，并且允許這些微操作有先后次序。按上述三條原則，以第九章中所分析的10條指令為例，其微操作的節(jié)拍安排如下：1取指周期微操作的節(jié)拍安排根據(jù)原則二，T0節(jié)拍可安排兩個微操作：PCMAR，1R；根據(jù)原則二，T1節(jié)拍可安排M（MAR）MDR和(PC)+1PC兩個微操作。T2節(jié)拍可安排MDRIR,考慮到指令譯碼時間較短，根據(jù)原則三，可將指令譯碼OP(IR) ID也安排T2節(jié)拍內(nèi)；實際上(PC)+1PC操作也可安排在T2節(jié)拍內(nèi)，因一旦PCMAR后，PC的內(nèi)容就可修改。2間址周期微操作的節(jié)拍安排T0 Ad(IR) MAR，1RT1 M(MAR) MDRT2 MDRAd(IR)3執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排非訪存指令清除累加器指令CLA。該指令在執(zhí)行周期只有一個微操作，按同步控制的原則，此操作可安排在T0T2的任一節(jié)拍內(nèi)，其余節(jié)拍空，如T0T1T2 0AC 累加器取反指令COM。同理，用加器取反操作可安排在T0T2的任一節(jié)拍中，即T0T1T2 算術右移一位指令SHR。T0T1T2 L(AC)R(AC)，AC0AC0循環(huán)左移一位指令CSL。T0T1T2 R(AC)R(AC)，AC0AC0(即-1(AC)停機指令STP。T0T1T2 0G 訪存指令加法指令ADD XT0 Ad(IR) MAR, 1RT1 M(MAR) MDRT2 (AC)+（MDR）AC，（該操作實際包括(AC) ALU,(MDR) ALU,ALUAC）存數(shù)指令STA X。T0 Ad(IR) MAR, 1WT1 AC MDRT2 MDRM(MAR)取數(shù)指令 LDA X。T0 Ad(IR) MAR, 1RT1 M(MAR) MDRT2 MDRAC轉(zhuǎn)移類指令無條件轉(zhuǎn)移指令JMP X。T0T1T2 Ad(IR)PC有條件轉(zhuǎn)移(負則轉(zhuǎn))指令BAN X。T0T1T2 4中斷周期微操作的節(jié)拍安排在執(zhí)行周期的最后時刻， CPU要向所有中斷源發(fā)中斷查詢信號，若檢測到某個中斷源有請求，并且未被屏蔽又被排隊選中，則在允許中斷的條件下，CPU進入中斷周期， 此時CPU由中斷隱指令完成下列操作(假設程序斷點存入主存0號地址單元內(nèi))：T0 0MAR, 1WT1 PC MDRT2 MDRM(MAR),向量地址PC此外， CPU進入中斷周期，由硬件置“0”允許中斷觸發(fā)器EINT，即關中斷。三、組合邏輯設計步驟組合邏輯設計控制單元時，首先根據(jù)上述微操作的節(jié)拍安排，列出微操作命令的操作時間表，然后寫出每一個微操作命令(控制信號)的邏輯表達式，最后根據(jù)邏輯表達式畫出相應的組合邏輯電路圖。1列出微操作命令的操作時間表上表列出了上述10條機器指令微操作命令的操作時間表。表中FE、IND和EX為CPU工作周期標志，T0T2為節(jié)拍，I為間址標志，在取指周期的T2時刻，若測得I1，則置“1”IND觸發(fā)器，標志進入間址周期；若I0，則置“1”EX觸發(fā)器，標志進入執(zhí)行周期。同理，在間址周期的T2時刻，若測得IND0(表示一次間址)，則置“1”EX，進入執(zhí)行周期；若測得IND1(表示多次間址)，則繼續(xù)間接尋址。在執(zhí)行周期的T2時刻，CPU要向所有中斷源發(fā)中斷查詢信號， 若檢測到有中斷請求并且滿足響應條件，則置“1”INT觸發(fā)器，標志進入中斷周期，表中未列出中斷周期的微操作。表中第一行對應10條指令的操作碼，代表不同的指令。若某指令有表中所列的微操作命令，其對應的空格內(nèi)為1。2寫出微操作命令的最簡邏輯表達式縱覽上表即可列出每一個微操作命令的初始邏輯表達式，經(jīng)化簡、整理便可獲得能用現(xiàn)成電路實現(xiàn)的微操作命令邏輯表達式。例如，根據(jù)表可寫出M（MAR）MDR微命令的邏輯表達式：M（MAR）MDRFET1+INDT1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EXT1(ADD+LDA)T1FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX（ADD+LDA）式中ADD、STA、LDA、JMP、BAN均來自操作碼譯碼器的輸出。3畫出微操作命令的邏輯圖對應每一個微操作命令的邏輯表達式都可畫出一個邏輯圖。如M(MAR)MDR的邏輯表達式所對應的邏輯圖如下圖所示，圖中未考慮門的扇入系數(shù)。當然，在設計邏輯圖時要考慮門的扇入系數(shù)和邏輯級數(shù)。如果采用現(xiàn)成芯片，還需選擇芯片型號。采用組合邏輯設計方法設計控制單元，思路清晰，簡單明了，但因為每一個微操作命令都對應一個邏輯電路，因此一旦設計完畢便會發(fā)現(xiàn)，這種控