機(jī)組課件-第10章控制單元設(shè)計(jì)

第十章控制單元的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理主講人：李新

山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院作者：唐朔飛高等教育出版社2CPU設(shè)計(jì)步驟擬定指令系統(tǒng)確定總體結(jié)構(gòu)安排時(shí)序擬定指令流程和微命令序列形成控制邏輯格式、尋址方式、指令類型寄存器、ALU、數(shù)據(jù)通路畫(huà)流程圖(寄存器傳送級(jí))列操作時(shí)間表設(shè)置時(shí)序信號(hào)3內(nèi)容提要10.2

微程序設(shè)計(jì)

10.1

組合邏輯設(shè)計(jì)

9.2

控制單元的功能9.1微操作命令的分析

410.1組合邏輯設(shè)計(jì)一、組合邏輯控制單元框圖1.CU

外特性IR節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1Tn…CLK（機(jī)器主頻）…標(biāo)志012n-1…C0C1Cn操作碼譯碼n

位操作碼5

2.節(jié)拍信號(hào)CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.16

二、微操作的節(jié)拍安排采用

同步控制方式CPU

內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式一個(gè)

機(jī)器周期

內(nèi)有

3

個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期）10.1PCIRACCU時(shí)鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號(hào)標(biāo)志控制信號(hào)

MDR

MAR7

安排微操作時(shí)序的原則原則一微操作的先后順序不得隨意更改原則二被控對(duì)象不同的微操作盡量安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成原則三占用時(shí)間較短的微操作盡量安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成并允許有先后順序10.181.取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三2.間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R10.193.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.110④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.1124.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件關(guān)中斷向量地址PC中斷隱指令完成1W10.113三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1、安排每條指令中微操作的節(jié)拍2、列出微操作命令的操作時(shí)間表3、寫(xiě)出每一個(gè)微操作命令的邏輯表達(dá)式4、畫(huà)出相應(yīng)的組合邏輯電路圖14三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII10.1間址特征15三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND10.1間址周期標(biāo)志16T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)

ACMDRM(MAR)MDRAC0AC三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表1W10.117三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.118三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND1111111111111111111110.119三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號(hào)狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W111111111111110.1202.寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式=FE

·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)M(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}10.1213.畫(huà)出邏輯圖特點(diǎn)

思路清晰，簡(jiǎn)單明了

龐雜，調(diào)試?yán)щy，修改困難

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.122作業(yè)P42010.210.423控制器分類組合邏輯控制器：由大量的邏輯門(mén)和觸發(fā)器組成1.設(shè)計(jì)不規(guī)整2.不易修改微程序控制器：基于“存儲(chǔ)程序，順序執(zhí)行”的思想體制。2410.2微程序設(shè)計(jì)微程序控制思想的提出者——威爾克斯1913年6月26日生于英國(guó)斯塔福德郡的達(dá)德利。于1931-1934年就讀于劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院，之后進(jìn)入卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，并于1936年完成其物理學(xué)博士學(xué)位。博士論文題目是“關(guān)于甚長(zhǎng)無(wú)線電波在電離層中的傳播特性”（thepropagationofverylongradiowavesintheionosphere）。二戰(zhàn)期間，威爾克斯在TRE服兵役，參與或主持過(guò)10cm雷達(dá)，GLMarkI、Ⅱ、Ⅲ以及OBOE的研制。戰(zhàn)后，回到劍橋大學(xué)，出任數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室（后改名計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室）主任。1946年10月，他以EDVAC為藍(lán)本設(shè)計(jì)建造了EDSAC，是第一個(gè)實(shí)際存儲(chǔ)程序的電子計(jì)算機(jī)，并于1949年5月成功運(yùn)行。之后負(fù)責(zé)建設(shè)EDSAC2。1980年，威爾克斯從他一直負(fù)責(zé)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室退休，出任DEC公司顧問(wèn)和MIT的兼職教授。1986年回到英國(guó)擔(dān)任Olivetti公司顧問(wèn)。在2000年的新年授勛名單中，威爾克斯被封為爵士。2002年，搬回計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任劍橋大學(xué)榮譽(yù)教授。英國(guó)皇家科學(xué)院院士1967年第二屆圖靈獎(jiǎng)得主Maurice_Wilkes2510.2微程序設(shè)計(jì)一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生1951英國(guó)劍橋大學(xué)教授Wilkes完成一條機(jī)器指令微操作命令1微操作命令2微操作命令n…微指令110100000微指令n微程序00010010存儲(chǔ)邏輯一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序…存入ROM26微(操作)命令：構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。微操作：由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本操作。微指令：若干個(gè)微命令的組合。微周期：指從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時(shí)間。微程序：一系列微指令的有序集合?？刂拼鎯?chǔ)器：存放微程序的只讀存儲(chǔ)器。微程序控制器的基本概念微程序微指令1微指令2...微指令n微命令1?微操作1微命令2?微操作2...微命令m?微操作m10.2.2微程序控制單元框圖及工作原理1.機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序?qū)?yīng)LDA操作的微程序?qū)?yīng)STA操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序10.2282.微程序控制單元的基本框圖

微地址

形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲(chǔ)器標(biāo)志CLK下地址CMDR至CPU內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號(hào)OPIR順序控制操作控制微指令基本格式10.2293.微程序控制單元工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1…取指周期微程序?qū)?yīng)

LDA操作的微程序?qū)?yīng)STA

操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序…轉(zhuǎn)取指周期微程序…10.2×××303.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序10.2控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期

微程序?qū)?yīng)

LDA操作的微程序?qū)?yīng)ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………對(duì)應(yīng)STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××313.工作原理(1)取指階段MCMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令形成下條微指令地址Ad(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令M+1M+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序10.20010000M+2…×××32(2)執(zhí)行階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令A(yù)d(CMDR)CMARCM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2…M執(zhí)行LDA微程序形成下條微指令地址P+1形成下條微指令地址P+2形成下條微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…10.233(3)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R全部微指令存在CM中，程序執(zhí)行過(guò)程中只需讀出關(guān)鍵微指令的操作控制字段如何形成微操作命令微指令的后續(xù)地址如何形成執(zhí)行取指微程序…10.2100

001M+1M…3410.2.3微指令的編碼方式（控制方式）1.直接編碼（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中，

每一位代表一個(gè)微操作命令速度最快下地址…控制信號(hào)操作控制某位為“1”表示該控制信號(hào)有效10.2352.字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干“段”，每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號(hào)每個(gè)字段中的命令是互斥的譯碼…譯碼…譯碼…下地址操作控制控制信號(hào)縮短了微指令字長(zhǎng)，增加了譯碼時(shí)間微程序執(zhí)行速度較慢10.2顯式編碼363.字段間接編碼方式4.混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5.其他…字段1…字段2譯碼譯碼譯碼…操作控制控制信號(hào)…字段n下地址……控制信號(hào)10.2隱式編碼3710.2.4微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出(斷定方式)2.根據(jù)機(jī)器指令的操作碼形成3.增量計(jì)數(shù)器4.分支轉(zhuǎn)移(CMAR)+1CMAR轉(zhuǎn)移地址操作控制字段

轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式指明判別條件轉(zhuǎn)移地址指明轉(zhuǎn)移成功后的去向10.2385.通過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)6.由硬件產(chǎn)生微程序入口地址第一條微指令地址由專門(mén)硬件產(chǎn)生中斷周期由硬件產(chǎn)生中斷周期微程序首地址非測(cè)試地址h測(cè)試地址l測(cè)試網(wǎng)絡(luò)……測(cè)試源微指令地址CMDR操作控制順序控制HL10.2397.后續(xù)微指令地址形成方式原理圖地址選擇+1CMAR地址譯碼下地址轉(zhuǎn)移方式CMDR控制存儲(chǔ)器…控制信號(hào)

分支

邏輯…標(biāo)志微程序入口10.2OPIR

微地址

形成部件

多路選擇4010.2.5微指令格式1.水平型微指令如直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、直接和字段混合編碼2.垂直型微指令類似機(jī)器指令操作碼的方式一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能10.2413.兩種微指令格式的比較(1)水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力強(qiáng)

，

靈活性強(qiáng)(2)

水平型微指令執(zhí)行一條機(jī)器指令所要的微指令數(shù)目少，速度快(3)

水平型微指令用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長(zhǎng)的微指令結(jié)構(gòu)(4)

水平型微指令與機(jī)器指令差別大10.242六、靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)靜態(tài)微程序無(wú)須改變，采用ROM動(dòng)態(tài)通過(guò)改變微指令和微程序改變機(jī)器指令，有利于仿真，采用

EPROM七、毫微程序設(shè)計(jì)1.毫微程序設(shè)計(jì)的基本概念微程序設(shè)計(jì)用微程序解釋機(jī)器指令毫微程序設(shè)計(jì)用毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令的關(guān)系好比微指令與機(jī)器指令的關(guān)系10.2432.

毫微程序控制存儲(chǔ)器的基本組成

控制存儲(chǔ)器（微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令I(lǐng)R+1CMDR1CMAR2

控制存儲(chǔ)器（毫微程序）水平型微指令…控制信號(hào)CMDR210.244八、串行微程序控制和并行微程序控制取第i+1條微指令執(zhí)行第

i

條微指令取第

i

條微指令執(zhí)行第i+1

條微指令執(zhí)行第i

條微指令取第i

條微指令取第i+1

條微指令執(zhí)行第i+1

條微指令取第i+2

條微指令執(zhí)行第i+2

條微指令串行微程序控制并行微程序控制10.245還需考慮如何讀出這3條微指令?1.寫(xiě)出對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的微操作及節(jié)拍安排假設(shè)CPU

結(jié)構(gòu)與組合邏輯相同(1)取指階段微操作分析T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序設(shè)計(jì)舉例1R若一個(gè)T

內(nèi)安排一條微指令則取指操作需3條微指令3條微指令A(yù)d(CMDR)CMAROP(IR)微地址形成部件CMAR10.246(2)取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要形成后續(xù)微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDR10.2CMAROP(IR)微地址形成部件47(3)執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后續(xù)微指令的地址取指微程序的入口地址M由微指令下地址字段指出?非訪存指令①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC010.248④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.249?訪存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMAR(AC)+(MDR)ACAd(CMDR)CMAR1R⑦STA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARACMDRAd(CMDR)CMARMDRM(MAR)Ad(CMDR)CMAR1W10.250⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R10.251全部微操作20個(gè)微指令38條?轉(zhuǎn)移類指令⑨JMP指令T0T1Ad(IR)PCAd(CMDR)CMAR⑩BAN指令T0T1Ad(CMDR)CMARA0

?Ad(IR)+A0?(PC)PC10.2522.確定微指令格式(1)微指令的編碼方式(2)后續(xù)微指令的地址形成方式采用直接控制由機(jī)器指令的操作碼通過(guò)微地址形成部件形成由微指令的下地址字段直接給出(3)微指令字長(zhǎng)由20個(gè)微操作確定操作控制字段最少20位由38條微指令確定微指令的下地址字段為6位微指令字長(zhǎng)可取20＋6＝26位10.253(4)微指令字長(zhǎng)的確定1條18條38條微指令中有19條是關(guān)于后續(xù)微指令地址CMARAd(CMDR)CMAR其中若省去了CMAR,用Ad(CMDR)直接送控存地址線則省去了輸至CMAR的時(shí)間同理OP(IR)微地址形成部件控存地址線可省去