第10章 控制單元的設(shè)計(jì)

第10章控制單元的設(shè)計(jì)10.1組合邏輯設(shè)計(jì)10.2微程序設(shè)計(jì)10.1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

2.節(jié)拍信號(hào)CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1

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）

MDRPC

MARIRACCU時(shí)鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號(hào)標(biāo)志控制信號(hào)10.1

1.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10.12.取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三3.間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd（IR）T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R10.14.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)R(AC)0ACACAC10.1④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)L(AC)AC0ACnT0T1T20GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.15.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)向量地址PC中斷隱指令完成1W10.1硬件關(guān)中斷三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA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間址特征三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND間址JMPLDASATADDCOMCLA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T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASATADDCOMCLA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1W10.1三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0FE取指JMPLDASATADDCOMCLA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)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0

IND間址JMPLDASATADDCOMCLA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)1EXIND1111111111111111111110.1三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出操作時(shí)間表T2T1T0EX執(zhí)行JMPLDASATADDCOMCLA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)MDRAC0AC1W111111111111110.12.寫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)}10.13.畫出邏輯圖在設(shè)計(jì)邏輯圖時(shí)要考慮門的扇入系數(shù)和邏輯級(jí)數(shù)，如果采用現(xiàn)成芯片，還要選擇芯片型號(hào)。&&&11&&&&&≥FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR&&10.1組合邏輯設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)思路清晰簡(jiǎn)單明了線路龐雜，不規(guī)范調(diào)試?yán)щy修改困難速度快（RISC）10.2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ROM二、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10.22.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操作控制順序控制微指令基本格式10.2二、微程序控制單元框圖及工作原理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

3.工作原理控存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+1LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序10.23.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)+1PCMDRIR0010000M+2…100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序10.2(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…10.2(3)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R100001M+1M全部微指令存在CM中，程序執(zhí)行過程中只需讀出關(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繼地址如何形成執(zhí)行取指微程序……10.2三、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10.22.字段直接編碼方式(顯式編碼)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字段長(zhǎng)度與所能表示的微命令數(shù)的關(guān)系如下： 字段長(zhǎng)度 微命令數(shù) 2位 2～3 3位 4～7 4位 8～15一般每個(gè)字段要留出一個(gè)代碼，表示本段不發(fā)出任何微命令，因此當(dāng)字段長(zhǎng)度為3位時(shí)，最多只能表示7個(gè)互斥的微命令，通常代碼000表示不發(fā)微命令。3.字段間接編碼方式（隱式編碼）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（設(shè)置常數(shù)字段、微操作碼編譯法等）…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)10.2四、微指令序列地址的形成

現(xiàn)行微指令：當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令現(xiàn)行微地址：現(xiàn)行微指令所在的控制存儲(chǔ)器單元的地址后繼微指令：現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，下一條要執(zhí)行的微指令后繼微地址：后繼微指令所在的控存單元地址四、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(CMAR)+1CMAR10.24.分支轉(zhuǎn)移轉(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“計(jì)數(shù)器”方式的原理圖表6.2產(chǎn)生后繼微地址的微命令BCF字段硬件條件計(jì)數(shù)器CT返回寄存器RR輸入后繼微地址編碼微命令名稱操作前操作0順序執(zhí)行××××μPC+11結(jié)果為0轉(zhuǎn)移結(jié)果為0×××BAF結(jié)果不為0μPC+12結(jié)果溢出轉(zhuǎn)移溢出×××BAF不溢出μPC+13無條件轉(zhuǎn)移××××BAF4測(cè)試循環(huán)×為0CT-1×μPC+1不為0BAF5轉(zhuǎn)微子程序×××μPC+1BAF6返回××××RR7操作碼形成微址××××由操作碼形成計(jì)算機(jī)組成原理“增量與下址字段”方式的原理圖

計(jì)算機(jī)組成原理BAF的長(zhǎng)度有兩種情況：①與μPC的位數(shù)相等；可以從控制存儲(chǔ)器的任一單元取微指令。②比μPC短；考慮到轉(zhuǎn)移點(diǎn)在μPC附近，或者在控制存儲(chǔ)器的某區(qū)域內(nèi)，所以由原來的μPC的若干位與BAF組合成轉(zhuǎn)移微地址。第一種情況，轉(zhuǎn)移靈活，但增加了微指令的長(zhǎng)度；第二種情況，轉(zhuǎn)移地址受到限制，但可縮短微指令長(zhǎng)度。計(jì)算機(jī)組成原理5.通過測(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HL10.27.后繼微指令地址形成方式原理圖

多路選擇地址選擇+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

形成部件五、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10.23.兩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10.2六、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)微程序無需改變，采用ROM動(dòng)態(tài)通過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10.22、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)CMDR210.2八、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10.21.寫出對(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CMAR還需考慮如何讀出這3條微指令?10.2(2)取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要形成后繼微指令的地址T0T1T2T3T4T51R(PC)+1PCOP(IR)微地址形成部件MARPCCMARAd(CMDR)MDRM(MAR)CMARAd(CMDR)IRMDRCMAROP(IR)10.2(3)執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后繼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)AC010.2④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.2?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)CMAR1W10.2⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R10.2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)PC10.22.確定微指令格式(1)微指令的編碼方式(2)后繼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10.2(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)于后繼微指令地址CMAROP(IR)CMARAd(CMDR)CMAR其中若用Ad(CMDR)直接送控存地址線則省去了打入CMAR的時(shí)間，省去了CMAR同理OP(IR)微地址形成部件控存地址線可省去19條微指