第10章 控制單元設(shè)計(jì)

第10章控制單元設(shè)計(jì)10.1組合邏輯設(shè)計(jì)10.2微程序設(shè)計(jì)*重點(diǎn)

1.組合邏輯控制單元的設(shè)計(jì)思想2.微程序控制單元的設(shè)計(jì)思想*難點(diǎn)

微程序控制是一種更規(guī)范的控制方法，學(xué)會(huì)如何確定微指令格式，編出微指令的碼點(diǎn)是本章的難點(diǎn)。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

位操作碼圖10.1帶譯碼和節(jié)拍輸入的控制單元框圖發(fā)至CPU內(nèi)部及系統(tǒng)總線的控制信號(hào)…

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

MDR

MAR圖9.31.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。2.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)MAR1R4.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)R(AC)，0ACACAC④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)L(AC)，AC0

ACnT0T1T20GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MAR，ACMDRMDRM(MAR)1R1W⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC5.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MAR，PCMDRMDRM(MAR)，硬件關(guān)中斷向量地址PC1W三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1.列出微操作命令的操作時(shí)間表T2T1T0

FE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)ID1IND1EXII間址特征表10.1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)1EXIND間址周期標(biāo)志表10.1操作時(shí)間表T2T1T0

EX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)MDRAC0AC1W表10.1操作時(shí)間表T2T1T0

FE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)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111表10.1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)1EXIND11111111111111111111表10.1操作時(shí)間表T2T1T0

EX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)MDRAC0AC1W1111111111111表10.1操作時(shí)間表2.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)}例如，根據(jù)表10.1可寫出微操作命令邏輯表達(dá)式：M(MAR)MDR3.畫出微操作命令的邏輯圖特點(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）&&圖10.3產(chǎn)生M(MAR)→MDR命令的邏輯圖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M.V.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2.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圖10.5微程序控制單元的基本組成和微指令的基本格式控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱為控存，是微程序控制單元的核心部件，用來存放全部微程序。CMAR

控存的地址寄存器，用來存放欲讀出的微指令的地址。CMDR

控存的數(shù)據(jù)寄存器，用來存放從控存讀出的微指令。順序邏輯用來控制微指令序列。具體的是控制形成下一微指令(后續(xù)微指令)的地址，其輸入與微地址形成部件、微指令的下地址字段以及外來的標(biāo)志有關(guān)。微指令的基本格式共分為兩個(gè)字段，一個(gè)為操作控制字段，該字段發(fā)出各種控制信號(hào)；另一個(gè)字段為順序控制字段，它可指出下條微指令的地址(簡(jiǎn)稱下地址)，以控制微指令的執(zhí)行順序。3.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序控存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×××(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0010000M+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…(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…100

001M+1M…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)微操作命令下地址…控制信號(hào)操作控制其中，某位為“1”表示該控制信號(hào)有效圖10.7直接編碼方式特點(diǎn)：含義清晰，速度最快；因?yàn)闄C(jī)器中微操作命令太多，造成控存容量大。2.字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干“段”，將一組互斥的微操作命令放在一個(gè)字段內(nèi)，通過對(duì)這個(gè)字段譯碼，便可對(duì)應(yīng)每一個(gè)微命令。這種方式因靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故又有顯示編碼之稱。譯碼…譯碼…譯碼…下地址操作控制控制信號(hào)特點(diǎn)：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。圖10.8字段直接編碼方式3.字段間接編碼方式…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)特點(diǎn)：進(jìn)一小縮短微指令字長(zhǎng)，但因削弱了微指令的并行控制能力，因此通常用做字段直接編碼法的一種輔助手段。圖10.9字段間接編碼方式一個(gè)字段的某些微命令還需要由另一個(gè)字段中的某些命令來解釋。由于不是靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故稱為字段間接編碼，又稱隱式編碼。4.混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用，以便能綜合考慮指令的字長(zhǎng)、靈活性和執(zhí)行微程序的速度等方面的要求。5.其他微指令中可以設(shè)置常數(shù)字段，用來提供常數(shù)、計(jì)數(shù)器初值等。常數(shù)字段還可以和某些解釋位配合，如解釋位為0，表示該字段提供常數(shù)；解釋位為1，表示該字段提供某種命令，使微指令更靈活。四、微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出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)移方式其中，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。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。當(dāng)電源加電后，第一條微指令的地址由專門硬件電路產(chǎn)生，也可以由外部直接向CMAR輸入微指令的地址，這個(gè)地址即為取指周期微程序的入口地址；中斷周期、間址周期可由硬件產(chǎn)生中斷周期微程序或間周期微程序的首地址。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HL圖10.10通過測(cè)試網(wǎng)絡(luò)形成微指令地址7.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OPIR

微地址

形成部件

多路選擇圖10.11后續(xù)微指令地址形成方式的原理圖五、微指令格式1.水平型微指令如直接編碼、字段編碼（直接、間接）、直接和字段混合編碼都屬于水平型微指令。其中，直接編碼速度最快，字段編碼要經(jīng)過譯碼，故速度受影響。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)并行操作在微指令中，設(shè)置操作碼字段，由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能。通常一條微指令有1~2個(gè)微命令，控制1~2種操作。這種微指令不強(qiáng)調(diào)其并行控制功能。表10.2垂直型微指令示例3.兩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)，效率高，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)；垂直型微指令正相反，它以較長(zhǎng)的微程序結(jié)構(gòu)換取較短的微指令結(jié)構(gòu)；(4)

水平型微指令與機(jī)器指令差別大；垂直型微指令與機(jī)器指令相似。選擇題1、在微程序控制器中，機(jī)器指令與微指令的關(guān)系是

。A.每一條機(jī)器指令由一條微指令來執(zhí)行B.每一條機(jī)器指令由若干條微指令組成的微程序來解釋執(zhí)行C.若干條機(jī)器指令組成的程序可由一個(gè)微程序來執(zhí)行2、微指令執(zhí)行的順序控制問題，實(shí)際上是如何確定下一條微指令地址的問題，通常用的一種方法是斷定方式，其基本思想是_____。

A.用微程序計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生后續(xù)微指令的地址

B.在指令中指定一個(gè)專門字段來產(chǎn)生后續(xù)微指令地址

C.由設(shè)計(jì)者在微指令代碼中指定，或者由設(shè)計(jì)者指定的判別測(cè)試字段控制產(chǎn)生后續(xù)指令的地址CB3、在微程序控制器中，控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的某個(gè)控制信號(hào)稱為

。

A.微指令B.微操作C.微命令4、機(jī)器指令（除轉(zhuǎn)移指令外）代碼中的地址字段用于

，微指令代碼中的地址字段用于______。

A.確定執(zhí)行順序B.存取地址C.存取數(shù)據(jù)5.相對(duì)于微程序控制器，硬布線控制器的特點(diǎn)是_____。

(2009年考研題)A．指令執(zhí)行速度慢，指令功能的修