控制單元的組合邏輯設(shè)計(jì)

1、第十章控制單元的設(shè)計(jì)本章以10條機(jī)器指令為例，介紹控制單元的兩種設(shè)計(jì)方法。第一節(jié)組合邏輯設(shè)計(jì)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(hào)的關(guān)鍵。為了簡(jiǎn)化控制單元的邏輯，將存放在IR的n位操作碼經(jīng)過(guò)一個(gè)譯碼電路產(chǎn)生2n個(gè)輸出， 這樣，每對(duì)應(yīng)一種操作碼便有一個(gè)輸出送至CU。當(dāng)然，若指令的操作碼長(zhǎng)度可變，指令譯碼線(xiàn)路將更復(fù)雜?？刂茊卧臅r(shí)鐘輸入實(shí)際上是一個(gè)脈沖序列，其頻率即為機(jī)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(hào)。 節(jié)拍的寬度應(yīng)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)從源到目的所需的時(shí)間。以時(shí)鐘為計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器，又稱(chēng)節(jié)拍發(fā)生器，便可產(chǎn)

2、生一個(gè)與時(shí)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(lái)，便可得簡(jiǎn)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(shè)機(jī)器采用同步控制，每個(gè)機(jī)器周期包含3個(gè)節(jié)拍，而且CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)為非總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，其中MAR和MDR分別直接和地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連，并假設(shè)IR的地址碼部分與MAR之間有通路。安排微操作節(jié)拍時(shí)應(yīng)注意三點(diǎn)：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(shí)必須注意微操作的先后順序。第二，凡是被控制對(duì)象不同的微操作，若能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，應(yīng)盡可能安排在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，以節(jié)省時(shí)間。第三，如果有些微操作所占的時(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)該將它們安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，并且允許這些微操作有

3、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(gè)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(gè)微操作。T2節(jié)拍可安排MDRIR,考慮到指令譯碼時(shí)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(shí)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

4、加器指令CLA。該指令在執(zhí)行周期只有一個(gè)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(shù)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(jī)指令STP。T0T1T2 0G ·訪存指令加法指令A(yù)DD XT0 Ad(IR) MAR, 1RT1 M(MAR) MDRT2 (AC)+（MDR）AC，（該操作實(shí)際包括(AC) ALU,(MDR) A

5、LU,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(lèi)指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令JMP X。T0T1T2 Ad(IR)PC有條件轉(zhuǎn)移(負(fù)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(shí)刻， CPU要向所有中斷源發(fā)中斷查詢(xún)信號(hào)，若檢測(cè)到某個(gè)中斷源有請(qǐng)求，并且未被屏蔽又被排隊(duì)選中，則在允許中斷的條件下，CPU進(jìn)入中斷周期， 此時(shí)CPU由中斷隱指令完成下列操作(假設(shè)程序斷點(diǎn)存入主存0號(hào)地址單元內(nèi))：T0

6、 0MAR, 1WT1 PC MDRT2 MDRM(MAR),向量地址PC此外， CPU進(jìn)入中斷周期，由硬件置“0”允許中斷觸發(fā)器EINT，即關(guān)中斷。三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟組合邏輯設(shè)計(jì)控制單元時(shí)，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(shí)間表，然后寫(xiě)出每一個(gè)微操作命令(控制信號(hào))的邏輯表達(dá)式，最后根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出相應(yīng)的組合邏輯電路圖。1列出微操作命令的操作時(shí)間表上表列出了上述10條機(jī)器指令微操作命令的操作時(shí)間表。表中FE、IND和EX為CPU工作周期標(biāo)志，T0T2為節(jié)拍，I為間址標(biāo)志，在取指周期的T2時(shí)刻，若測(cè)得I1，則置“1”IND觸發(fā)器，標(biāo)志進(jìn)入間址周期；若I0，則置“1”EX觸

7、發(fā)器，標(biāo)志進(jìn)入執(zhí)行周期。同理，在間址周期的T2時(shí)刻，若測(cè)得IND0(表示一次間址)，則置“1”EX，進(jìn)入執(zhí)行周期；若測(cè)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(shí)刻，CPU要向所有中斷源發(fā)中斷查詢(xún)信號(hào)， 若檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求并且滿(mǎn)足響應(yīng)條件，則置“1”INT觸發(fā)器，標(biāo)志進(jìn)入中斷周期，表中未列出中斷周期的微操作。表中第一行對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的空格內(nèi)為1。2寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式縱覽上表即可列出每一個(gè)微操作命令的初始邏輯表達(dá)式，經(jīng)化簡(jiǎn)、整理便可獲得能用現(xiàn)成電路實(shí)現(xiàn)的微操作命令邏輯表達(dá)式。例如，根據(jù)表可寫(xiě)出M（MAR

8、）MDR微命令的邏輯表達(dá)式：M（MAR）MDRFE·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)T1FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX（ADD+LDA）式中ADD、STA、LDA、JMP、BAN均來(lái)自操作碼譯碼器的輸出。3畫(huà)出微操作命令的邏輯圖對(duì)應(yīng)每一個(gè)微操作命令的邏輯表達(dá)式都可畫(huà)出一個(gè)邏輯圖。如M(MAR)MDR的邏輯表達(dá)式所對(duì)應(yīng)的邏輯圖如下圖所示，圖中未考慮門(mén)的扇入系數(shù)。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)邏輯圖時(shí)要考慮門(mén)的扇入系數(shù)和邏輯級(jí)數(shù)。如果采用現(xiàn)成芯片，還需選擇芯片型號(hào)。采用組合邏輯設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)控制單元，思路清晰，簡(jiǎn)單明了，但因?yàn)槊恳粋€(gè)微操作命令都對(duì)應(yīng)一個(gè)邏輯電路，因此一旦設(shè)計(jì)完畢便會(huì)發(fā)現(xiàn)，這