第28講第10章控制單元的設(shè)計(10.1-10.2

1、計算機組成原理 課程教案（第28次課）章 節(jié)名 稱第10章 控制單元的設(shè)計（10.110.2）課 時安 排第14周 2學時授 課方 式理論課教學環(huán)境及教具準備有投影儀的教室PPT多媒體教學課件教 學目 的讓學生了解和掌握組合邏輯控制單元和微程序控制單元的設(shè)計思想、設(shè)計步驟、硬件組成及其工作原理教 學重 點對不同指令相應(yīng)的微操作命令安排節(jié)拍，組合邏輯CU的設(shè)計思想、工作原理；微程序CU的設(shè)計思想、工作原理；比較兩種CU微操作命令節(jié)拍安排的區(qū)別教 學難 點微程序控制單元框圖及工作原理教 學 基 本 內(nèi) 容是否重、難點方法及手段l 10.1組合邏輯設(shè)計l 10.1.1組合邏輯控制單元框圖l 10.1

2、.2微操作的節(jié)拍安排l 10.1.3組合邏輯設(shè)計步驟l 10.2微程序設(shè)計l 10.2.1微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生l 10.2.2微程序控制單元框圖及工作原理l 10.2.3微指令的編碼方式l 10.2.4微指令序列地址的形成l 10.2.5微指令的格式l 10.2.6靜態(tài)微程序和動態(tài)微程序設(shè)計了解重點重點了解重點&難點重點重點了解了解多媒體講解多媒體講解舉例講解多媒體講解舉例講解多媒體講解多媒體講解多媒體講解多媒體講解教 學 過 程 與 設(shè) 計復(fù)習舊課：多級時序系統(tǒng)是怎樣進行定時的？引入新課：設(shè)計CU時需要考慮哪些因素，有幾種設(shè)計方法?10.1組合邏輯設(shè)計10.1.1組合邏輯控制單元框圖動畫演示

3、P395頁圖10.1示意帶譯碼和節(jié)拍輸入的簡化的控制單元框圖。l 其中指令的操作碼是決定控制單元發(fā)出不同控制信號的關(guān)鍵。 動畫演示節(jié)拍信號圖。 10.1.2微操作的節(jié)拍安排l 假設(shè)機器采用同步控制方式，一個機器周期內(nèi)有3個節(jié)拍T0、T1、T2（時鐘周期），CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式。（1）安排微操作時序的原則：l 原則一：微操作的先后順序不得隨意更改。l 原則二：被控對象不同的微操作盡量安排在一個節(jié)拍內(nèi)完成。l 原則三：占用時間較短的微操作盡量安排在一個節(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l 根據(jù)原則二，T0節(jié)拍安排：PCMAR，1Rl 根據(jù)原則二，T1節(jié)拍安排：M（

4、MAR）MDR，（PC）+1PCl 根據(jù)原則三，T2節(jié)拍安排：MDRIR，OP（IR）ID（3）間址周期微操作的節(jié)拍安排l T0：Ad（IR）MAR，1Rl T1：M（MAR）MDRl T2：MDRAd（IR）（4）執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排l 不同指令執(zhí)行周期的微操作是不同的，分別討論非訪存指令、訪存指令和轉(zhuǎn)移類指令的微操作。（5）中斷周期微操作的節(jié)拍安排l T0：0MAR，1Wl T1：PCMDRl T2：MDRM（MAR），向量地址PC10.1.3組合邏輯設(shè)計步驟（1）列出微操作命令的操作時間表l 按組合邏輯電路設(shè)計步驟，根據(jù)10條指令微操作的節(jié)拍安排，列出微操作命令的操作時間表。動畫演示

5、P402頁表10.1操作時間表。（2）寫出微操作命令的最簡邏輯表達式l 經(jīng)分析、化簡、整理列出每個微操作命令的最簡邏輯表達式。（3）畫出微操作命令的邏輯圖動畫演示P403頁圖10.3產(chǎn)生M（MAR）MDR命令的邏輯圖。結(jié)論：l 在設(shè)計邏輯圖時要考慮門的扇入系數(shù)和邏輯級數(shù)。l 如果采用現(xiàn)成芯片，還需選擇芯片型號。l 組合邏輯設(shè)計方法思路清晰、簡單明了，但線路結(jié)構(gòu)龐雜，調(diào)試和維護困難。l 隨著RISC的出現(xiàn)，組合邏輯設(shè)計方法因設(shè)計的CU電路速度快依然很有用。問題1：按組合邏輯方法設(shè)計邏輯圖時要考慮什么問題？采用現(xiàn)成芯片要注意什么？10.2微程序設(shè)計微程序設(shè)計的關(guān)鍵是如何確定微指令的結(jié)構(gòu)。10.2.

6、1微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生l 微程序設(shè)計思想是英國劍橋大學教授M.V.Wilkes在1951年首先提出的。l Wilkes提出，將一條機器指令編寫成一個微程序，每一個微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一個或幾個微操作命令。l 然后把這些微程序存到一個控制存儲器中，用尋找用戶程序機器指令的方法來尋找每個微程序中的微指令存儲邏輯式。l 1964年4月世界上第一臺微程序設(shè)計的機器IBM360研制成功。10.2.2微程序控制單元框圖及工作原理 （1）機器指令對應(yīng)的微程序l 采用微程序設(shè)計方法設(shè)計控制單元的過程就是編寫每一條機器指令的微程序。l 它是按執(zhí)行每條機器指令所需的微操作命令的先后順序而編寫的

7、。l 因此，一條機器指令對應(yīng)一個微程序。動畫演示P404頁圖10.4不同機器指令所對應(yīng)的微程序。 （2）微程序控制單元的基本框圖動畫演示P405頁圖10.5示意微程序控制單元的基本組成和微指令格式。l 點畫線框內(nèi)的控制存儲器（簡稱控存CM）是微程序控制單元的核心部件，用來存放全部微程序。FLASH動畫演示微程序控制器框圖。FLASH動畫演示機器指令與微指令關(guān)系。（3）工作原理結(jié)合圖10.4和圖10.5動態(tài)演示程序運行時微程序控制單元的工作過程。關(guān)鍵理解1：微指令的操作控制字段如何形成微操作命令？關(guān)鍵理解2：微指令的后繼地址如何形成？10.2.3微指令的編碼方式（控制方式）（1）直接編碼方式l

8、特點是操作控制宇段中的每一位代表一個微命令。l 這種方法的優(yōu)點是簡單直觀，其輸出直接用于控制。l 缺點是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。 （2）字段直接編碼方式l 編碼表示法把一組相斥性的微命令信號組成一個小組（即一個字段）；l 然后通過小組（字段）譯碼器對每一個微命令信號進行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號。l 優(yōu)點是可以用較小的二進制信息位表示較多的微命令信號，可使微指令字大大縮短。l 缺點是微程序的執(zhí)行速度稍稍減慢。 （3）字段間接編碼方式l 一個字段的某些微命令還需要由另一個字段中的某些微命令來解釋。l 進一步縮短了微指令字長，但降低了微指令的并行控制能力，作為字段直接編碼的輔助

9、手段。（4）混合表示法l 這種方法是把直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮微指令字長、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方面的要求。10.2.4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)機器指令的操作碼形成（3）增量計數(shù)器l 這種方法同用程序計數(shù)器來產(chǎn)生機器指令地址的方法相類似。l 計數(shù)器方式的基本特點是：微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機構(gòu)簡單。（4）分支轉(zhuǎn)移l 一條微指令具有多個轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。l 多路轉(zhuǎn)移方式的特點是：能以較短的順序控制字段配合，實現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快，但轉(zhuǎn)移地址邏輯需要用組合邏輯方法設(shè)計。（5）通過測試網(wǎng)絡(luò)（6）由硬件產(chǎn)生微

10、程序入口地址l 第一條微指令地址由專門硬件產(chǎn)生l 中斷周期由硬件產(chǎn)生中斷周期微程序首地址動畫演示P410頁圖10.11后續(xù)微指令地址形成方式的原理圖。10.2.5微指令的格式（1）水平型微指令l 一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。l 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 l 微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。l 垂直型微指令的結(jié)構(gòu)類似于機器指令的結(jié)構(gòu)。 （3）兩種微指令格式的比較： l 水平型微指令并行操作能力強、效率高、靈活性強，垂直型微指令則較差。 l 水平型微指

11、令執(zhí)行一條指令的時間短，垂直型微指令執(zhí)行時間長。 l 由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字比較長，但微程序短的特點。垂直型微指令則相反，微指令字比較短而微程序長。 l 水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對來說，比較容易掌握。10.2.6靜態(tài)微程序設(shè)計和動態(tài)微程序設(shè)計l 對應(yīng)于一臺計算機的機器指令只有一組微程序，而且這一組微程序設(shè)計好之后，一般無需改變而且也不好改變，這種微程序設(shè)計技術(shù)稱為靜態(tài)微程序設(shè)計，采用ROM。l 通過改變微指令和微程序來改變機器的指令系統(tǒng)，這種微程序設(shè)計技術(shù)稱為動態(tài)微程序設(shè)計，采用EPROM。實 驗內(nèi) 容實驗八 帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)1熟悉用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。2學習設(shè)計與調(diào)試計算機的基本步驟及方法。課 內(nèi)練 習PPT多媒體教學課件后的課堂練習題課 外作 業(yè)P420422頁教材課后練習題10.2、10.6、10.15 考 核要 求1.本章考試題型主要有：選擇題、填空題、簡答題、設(shè)計應(yīng)用題2.本章主要考核微操作的節(jié)拍安排、微指令的兩種編碼方式的概念、水平微指令的設(shè)計參 考資 料1白中英.計算機組成原理（第四版.立體化教材）.科學出版社,201