計算機組成原理第8章控制單元的設(shè)計

1、第十章第十章 控制單元的設(shè)計控制單元的設(shè)計10.1 組合邏輯設(shè)計組合邏輯設(shè)計10.2 微程序設(shè)計微程序設(shè)計10.1 10.1 組合邏輯設(shè)計組合邏輯設(shè)計一、組合邏輯控制單元框圖一、組合邏輯控制單元框圖1. . CU CU 外特性外特性IR節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1TnCLK（機器主頻）（機器主頻）標(biāo)志標(biāo)志0 12n-1C0C1Cn操作碼譯碼n 位操作碼位操作碼2. .節(jié)拍信號節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3二二. .微操作的節(jié)拍安排微操作的節(jié)拍安排采用采用 同步控制方式同步控制方式CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線方式內(nèi)

2、部結(jié)構(gòu)采用非總線方式一個一個 機器周期機器周期 內(nèi)有內(nèi)有 3 個節(jié)拍（時鐘周期）個節(jié)拍（時鐘周期） M D RPC M A RIRACCU時鐘ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號控制信號標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號信號1. 安排微操作時序的原則安排微操作時序的原則原則一原則一 微操作的微操作的 先后順序不得先后順序不得 隨意隨意 更改更改原則二原則二 被控對象不同被控對象不同 的微操作的微操作 盡量安排在盡量安排在 一個節(jié)拍一個節(jié)拍 內(nèi)完成內(nèi)完成原則三原則三 占用占用 時間較短時間較短 的微操作的微操作 盡量盡量 安排在安排在 一個節(jié)拍一個節(jié)拍 內(nèi)完成內(nèi)完成 2.

3、取指周期取指周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原則二原則二原則二原則二原則三原則三3. 間址周期間址周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad（IR）T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R4. 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L

4、( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC5. 中斷周期中斷周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件關(guān)中斷硬件關(guān)中斷向

5、量地址向量地址 PC中斷隱指令完成中斷隱指令完成1 W三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 FE取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII間址特征三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 IND 間址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)

6、1 EXIND間址周期標(biāo)志T2T1T0 EX執(zhí)行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表1 W三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 FE取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR )

7、ID1 IND1 EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 IND 間址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND11111111111111111111三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 EX執(zhí)行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標(biāo)記Ad (I

8、R) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W11111111111112. 寫出微操作命令的最簡表達式寫出微操作命令的最簡表達式= 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 ) 三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思路清晰思路清晰 簡單

9、明了簡單明了 龐雜龐雜 調(diào)試困難調(diào)試困難 修改困難修改困難 速度快速度快&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&三、組合邏輯設(shè)計步驟三、組合邏輯設(shè)計步驟10.2 10.2 微程序設(shè)計微程序設(shè)計一、微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生一、微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生1951 英國劍橋大學(xué)教授英國劍橋大學(xué)教授 Wilkes 完成完成一條機器指令一條機器指令微操作命令微操作命令 1微操作命令微操作命令 2微操作命令微操作命令 n微指令微指令 110100000微指令微指令 n微程序微程序00010010存儲邏輯存儲邏輯一條機器指令對應(yīng)一個微程序一

10、條機器指令對應(yīng)一個微程序存入存入 ROM二、微程序控制單元框圖及工作原理二、微程序控制單元框圖及工作原理1. 機器指令對應(yīng)的微程序機器指令對應(yīng)的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序取指周期微程序?qū)?yīng)對應(yīng) LDA 操作的微程序操作的微程序?qū)?yīng)對應(yīng) STA 操作的微程序操作的微程序間址周期微程序間址周期微程序中斷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程序控制單元的基本框圖 微地址微地址 形成部件形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲器控制存儲器標(biāo)志標(biāo)志CLK下地址下地址CMDR至至 CPU 內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號 OPIR操作

11、控制操作控制順序控制順序控制微指令基本格式微指令基本格式二、微程序控制單元框圖及工作原理二、微程序控制單元框圖及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序?qū)?yīng)對應(yīng) LDA 操作的微程序操作的微程序?qū)?yīng)對應(yīng) STA 操作的微程序操作的微程序間址周期間址周期 微程序微程序中斷周期中斷周期 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序轉(zhuǎn)取指周期微程序轉(zhuǎn)取指周期微程序3. 工作原理工作原理控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序?qū)?yīng)對應(yīng) LDA 操操作的微程序作的微程序?qū)?yīng)對應(yīng) ADD

12、 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M對應(yīng)對應(yīng) STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1LDA XADD YSTA Z主存主存STP用戶程序用戶程序3. 工作原理工作原理(1) 取指階段取指階段M CMARCM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令形成下條微指令地址形成下條微指令地址Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令A(yù)d (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令M + + 1M + + 2PC MAR1 RM ( MAR ) MDR(

13、 PC ) + + 1 PCMDR IR0 0 1 0 0 0 0M + + 21 0 0 0 0 1M+ +1M0 1 0 0 1 0M+ +2M + + 1形成下條微指令地址形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序執(zhí)行取指微程序(2) 執(zhí)行階段執(zhí)行階段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令A(yù)d (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令A(yù)d (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令OP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR( P CMAR )Ad (CMDR ) CMARAd (

14、 IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P + + 2 M執(zhí)行執(zhí)行 LDA 微程序微程序 形成下條微指令地址形成下條微指令地址 P + + 1形成下條微指令地址形成下條微指令地址 P + + 2形成下條微指令地址形成下條微指令地址 M( M CMAR )0 1 0 0 0P+ +2P + + 10 0 0 1 0 0 1P+ +1P(3) 取指階段取指階段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令M CMAR PC MAR1 R1 0 0 0 0 1M+ +1M全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中，程序執(zhí)行過程中，程序執(zhí)

15、行過程中 只需讀出只需讀出關(guān)鍵關(guān)鍵 微指令的微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微操作命令 微指令的微指令的 后繼地址如何形成后繼地址如何形成執(zhí)行取指微程序執(zhí)行取指微程序三、微指令的編碼方式（控制方式）三、微指令的編碼方式（控制方式）1. 直接編碼（直接控制）方式直接編碼（直接控制）方式 在微指令的操作控制字段中在微指令的操作控制字段中 每一位代表一個微操作命令每一位代表一個微操作命令速度最快速度最快下地址控制信號控制信號操作控制操作控制某位為某位為 “1” 表示該控制信號有效表示該控制信號有效2. 字段直接編碼方式字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干將微指令的控

16、制字段分成若干 “段段”每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號每個字段中的命令是每個字段中的命令是 互斥互斥 的的譯碼譯碼譯碼下地址操作控制操作控制控制信號控制信號縮短縮短 了微指令了微指令 字長字長，增加增加 了譯碼了譯碼 時間時間微程序執(zhí)行速度較慢微程序執(zhí)行速度較慢3. 字段間接編碼方式字段間接編碼方式4. 混合編碼混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5. 其他其他字段 1字段 2譯碼譯碼譯碼操作控制操作控制控制信號控制信號字段 n下地址控制信號控制信號四、微指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成1. 微指令的微指令的 下地

17、址字段下地址字段 指出指出2. 根據(jù)機器指令的根據(jù)機器指令的 操作碼操作碼 形成形成3. 增量計數(shù)器增量計數(shù)器4. 分支轉(zhuǎn)移分支轉(zhuǎn)移( CMAR ) + 1 CMAR 轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址操作控制字段操作控制字段 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式 指明判別條件指明判別條件轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址 指明轉(zhuǎn)移成功后的去向指明轉(zhuǎn)移成功后的去向5. 通過測試網(wǎng)絡(luò)通過測試網(wǎng)絡(luò)6. 由硬件產(chǎn)生由硬件產(chǎn)生微程序入口地址微程序入口地址第一條微指令地址第一條微指令地址 由專門由專門 硬件硬件 產(chǎn)生產(chǎn)生中斷周期中斷周期 由由 硬件硬件 產(chǎn)生產(chǎn)生 中斷周期微程序首地址中斷周期微程序首地址非測試地址非測試地址 h測試地址測試地址

18、 l測試網(wǎng)絡(luò)測試網(wǎng)絡(luò)測試源測試源微指令地址微指令地址CMDR操作控制操作控制順序控制順序控制HL7. 后繼微指令地址形成方式原理圖后繼微指令地址形成方式原理圖 多路選擇多路選擇地址地址選擇選擇+ 1CMAR地址譯碼下地址轉(zhuǎn)移方式CMDR控制存儲器控制存儲器控制信號控制信號 分支分支 邏輯邏輯標(biāo)志標(biāo)志微程序入口微程序入口OPIR 微地址微地址 形成部件形成部件五、微指令格式五、微指令格式1. 水平型微指令水平型微指令如如 直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、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直接和字段混合編碼2. 垂直型微指令垂直型微指令類似機器指令操作碼類似機器指令操

19、作碼 的方式的方式一次能定義并執(zhí)行多個并行操作一次能定義并執(zhí)行多個并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能3. 兩種微指令格式的比較兩種微指令格式的比較(1) 水平型微指令比垂直型微指令水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力強并行操作能力強 靈活性強靈活性強(2) 水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的 微指令微指令 數(shù)目少，速度快數(shù)目少，速度快(3) 水平型微指令水平型微指令 用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長的用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長的 微指令結(jié)構(gòu)微指令結(jié)構(gòu)(4) 水平型微指令與機器指令水平型微指令與機器指令 差別大差別大1. 寫出對應(yīng)

20、機器指令的微操作及節(jié)拍安排寫出對應(yīng)機器指令的微操作及節(jié)拍安排假設(shè)假設(shè) CPU 結(jié)構(gòu)與組合邏輯相同結(jié)構(gòu)與組合邏輯相同(1) 取指階段微操作分析取指階段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件九、微程序設(shè)計舉例九、微程序設(shè)計舉例1 R若一個若一個 T 內(nèi)安排一條微指令內(nèi)安排一條微指令則取指操作需則取指操作需 3 條微指令條微指令3 條微指令條微指令A(yù)d ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR還需考慮還需考慮 如何讀出如何讀出 這這 3 條微指令條微

21、指令 ?(2) 取指階段的微操作及節(jié)拍安排取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要考慮到需要 形成后繼微指令的地址形成后繼微指令的地址T0T1T2T3T4T51R( PC )+1PCOP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件MARPCCMARAd ( CMDR )MDRM ( MAR )CMARAd ( CMDR )IRMDRCMAROP ( IR )(3) 執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排執(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 非訪存指令非訪存指令 CLA 指令指令T0T1 COM 指令指令T0T1Ad (

22、CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR )AC0 CSL 指令指令T0T1 STP 指令指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR ) 訪存指令訪存指令 ADD 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMAR( AC ) + ( MDR )ACAd ( CMDR )CMAR1R STA 指令指令T0T1T2T3T4

23、T5Ad (IR)MARAd ( CMDR )CMARACMDRAd ( CMDR )CMARMDRM(MAR)Ad ( CMDR )CMAR1W LDA 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R全部微操作全部微操作 20個個微指令微指令 38條條 轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令 JMP 指令指令T0T1Ad ( IR)PCAd ( CMDR )CMAR BAN 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC )PC2

24、. 確定微指令格式確定微指令格式(1) 微指令的編碼方式微指令的編碼方式(2) 后繼微指令的地址形成方式后繼微指令的地址形成方式采用直接控制采用直接控制由機器指令的操作碼通過微地址形成部件形成由機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由微指令的下地址字段直接給出(3) 微指令字長微指令字長由由 20 個微操作個微操作確定確定 操作控制字段操作控制字段 最少最少 20 位位由由 38 條微指令條微指令確定微指令的確定微指令的 下地址字段下地址字段 為為 6 位位微指令字長微指令字長 可取可取 20 6 26 位位(4) 微指令字長的確定微指令字長的確定1 條條18 條條38 條微指令中有條微指令中有 19 條條是關(guān)于后繼微指令地址是關(guān)于后繼微指令地址CMAROP ( IR )CMARAd (