計(jì)算機(jī)組成原理控制單元

1、4.1 操作命令的分析操作命令的分析4.2 控制單元的功能控制單元的功能4.3 組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)4.4 微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)完成一條指令分完成一條指令分 4 個(gè)工作周期個(gè)工作周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址線(xiàn)地址線(xiàn)1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)二、間址周期二、間址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式

2、地址 MARMDRCUMARCPU地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)控制總線(xiàn)IR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器三、執(zhí)行周期三、執(zhí)行周期1. 非訪存指令非訪存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循環(huán)左移循環(huán)左移(3) SHR 算術(shù)右移算術(shù)右移(5) STP 停機(jī)指令停機(jī)指令0 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 訪存指令訪存指令A(yù)d(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X

3、(2) 存數(shù)指令存數(shù)指令(1) 加法指令加法指令(3) 取數(shù)指令取數(shù)指令A(yù)d ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令(1) 無(wú)條件轉(zhuǎn)無(wú)條件轉(zhuǎn)(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（負(fù)則轉(zhuǎn)）（負(fù)則轉(zhuǎn)）4. 三類(lèi)指令的指令周期三類(lèi)指令的指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期非訪存非訪存 指令周期指令周期直接訪存直接訪存 指令周期指令周期間接訪

4、存間接訪存 指令周期指令周期轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 指令周期指令周期四、中斷周期四、中斷周期程序斷點(diǎn)存入程序斷點(diǎn)存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點(diǎn)程序斷點(diǎn) 進(jìn)棧進(jìn)棧0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址向量地址 PC0 EINT（置置“0”）0 EINT（置置“0”）向量地址向量地址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W( SP ) 1 MAR中斷識(shí)別程序入口地址中斷識(shí)別程序入口地址 M PC一、控制單元的外特性一、控制單元的外特性指令寄存器指令寄存器控制單元控制單元 CU時(shí)鐘時(shí)鐘標(biāo)志標(biāo)志CPU 內(nèi)部的控制信號(hào)內(nèi)部的控制信號(hào)到系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)到系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)

5、總線(xiàn)的控制信號(hào)來(lái)自系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào)系統(tǒng)總線(xiàn)系統(tǒng)總線(xiàn)1. 輸入信號(hào)輸入信號(hào)(1) 時(shí)鐘時(shí)鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來(lái)信號(hào)外來(lái)信號(hào)(3) 標(biāo)志標(biāo)志CU 受時(shí)鐘控制受時(shí)鐘控制控制信號(hào)控制信號(hào) 與操作碼有關(guān)與操作碼有關(guān)OP ( IR ) CUCU 受標(biāo)志控制受標(biāo)志控制INTR 中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求HRQ 總線(xiàn)請(qǐng)求總線(xiàn)請(qǐng)求一個(gè)時(shí)鐘脈沖一個(gè)時(shí)鐘脈沖 發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令發(fā)一個(gè)操作命令或一組需同時(shí)執(zhí)行的操作命令如如2. 輸出信號(hào)輸出信號(hào)(1) CPU 內(nèi)的各種控制信號(hào)內(nèi)的各種控制信號(hào)(2) 送至控制總線(xiàn)的信號(hào)送至控制總線(xiàn)的信號(hào)Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪

6、存控制信號(hào)訪存控制信號(hào)訪訪 IO/ 存儲(chǔ)器的控制信號(hào)存儲(chǔ)器的控制信號(hào)讀命令讀命令寫(xiě)命令寫(xiě)命令中斷響應(yīng)信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)總線(xiàn)響應(yīng)信號(hào)MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或二、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)二、多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)1. 機(jī)器周期機(jī)器周期(1) 機(jī)器周期的概念機(jī)器周期的概念(2) 確定機(jī)器周期需考慮的因素確定機(jī)器周期需考慮的因素(3) 基準(zhǔn)時(shí)間的確定基準(zhǔn)時(shí)間的確定所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間所有指令執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間每條指令的執(zhí)行每條指令的執(zhí)行 步驟步驟每一步驟每一步驟 所需的所需的 時(shí)間時(shí)間 以完成以完成 最復(fù)雜最復(fù)雜 指令功能的時(shí)間指令功能的時(shí)間 為準(zhǔn)為準(zhǔn) 以以 訪問(wèn)一次存儲(chǔ)

7、器訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器 的時(shí)間的時(shí)間 為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)若指令字長(zhǎng)若指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)取指周期取指周期 = 機(jī)器周期機(jī)器周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可完成若干個(gè)微操作每個(gè)微操作需一定的時(shí)間每個(gè)微操作需一定的時(shí)間用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令用時(shí)鐘周期控制產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)微操作命令將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的將一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)時(shí)間相等的時(shí)間段（時(shí)間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時(shí)鐘周期）CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期2. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期

8、機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)機(jī)器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)一個(gè)指令周期含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)指令周期含若干個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)機(jī)器周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期CLK機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期機(jī)器周期 （取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） 指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)

9、狀態(tài)) 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))三、控制方式三、控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時(shí)序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式任一微操作均由任一微操作均由 統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo) 的時(shí)序信號(hào)控制的時(shí)序信號(hào)控制CLK機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 完全統(tǒng)一完全統(tǒng)一 的機(jī)器周期和節(jié)拍的機(jī)器周期和節(jié)拍以以 最長(zhǎng)最長(zhǎng) 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作為的微操作作為 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(

10、2) 采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍(狀態(tài)狀態(tài))機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長(zhǎng)延長(zhǎng)(3) 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機(jī)器周期機(jī)器周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控

11、制的節(jié)拍寬度與局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致中央控制的節(jié)拍寬度一致2. 異步控制方式異步控制方式無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步無(wú)固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步采用采用 應(yīng)答方式應(yīng)答方式3. 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset(2) 連續(xù)連續(xù) 和和 單條單條 指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3) 符合停機(jī)開(kāi)關(guān)符合停機(jī)開(kāi)關(guān)同步與異步相結(jié)合同步與異步相結(jié)合小結(jié)小結(jié)每個(gè)每個(gè) 控制控制 信號(hào)信號(hào)在在 指定機(jī)器周期指定機(jī)器周期 的的指定節(jié)指定節(jié)拍拍 T 時(shí)刻時(shí)刻 發(fā)出發(fā)出.一、組合邏輯控制單元框圖一、組合邏輯控制單元框圖 C

12、U CU 外特性外特性IR節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1TnCLK（機(jī)器主頻）（機(jī)器主頻）標(biāo)志標(biāo)志0 12n-1C0C1Cn操作碼譯碼操作碼譯碼n 位操作碼位操作碼二二. .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(xiàn)方式內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非總線(xiàn)方式一個(gè)一個(gè) 機(jī)器周期機(jī)器周期 內(nèi)有內(nèi)有 3 個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期）個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期） M D RPC M A RIRACCU時(shí)鐘時(shí)鐘ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號(hào)控制信號(hào)標(biāo)志標(biāo)志控制控制信號(hào)信號(hào)1. 安排微操作時(shí)序的原則安排微操作時(shí)序的原則原則一原則一 微操作的微操作的

13、 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(duì)象不同被控對(duì)象不同 的微操作的微操作 盡量安排在盡量安排在 一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍 內(nèi)完成內(nèi)完成原則三原則三 占用占用 時(shí)間較短時(shí)間較短 的微操作的微操作 盡量盡量 安排在安排在 一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍 內(nèi)完成內(nèi)完成 并并允許有先后順序允許有先后順序2. 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）T0T1T2T0T1T

14、21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表列出操作時(shí)間表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào)狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標(biāo)記標(biāo)記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表列出操作時(shí)間表T2T1T0 IND 間址間址JMP

15、LDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào)狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標(biāo)記標(biāo)記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND11111111111111111111三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表列出操作時(shí)間表T2T1T0 EX執(zhí)行執(zhí)行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號(hào)微操作命令信號(hào)狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標(biāo)記標(biāo)記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W111111111

16、11112. 寫(xiě)出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式寫(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 ) 3. 畫(huà)出邏輯圖畫(huà)出邏輯圖特點(diǎn)特點(diǎn) 思路清晰思路清晰 簡(jiǎn)單明了簡(jiǎn)單明了 龐雜龐雜 調(diào)試?yán)щy調(diào)試?yán)щy 修改困難修改困難 速度快速度快&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&a

17、mp;一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生1951 英國(guó)劍橋大學(xué)教授英國(guó)劍橋大學(xué)教授 Wilkes 完成完成一條機(jī)器指令一條機(jī)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(chǔ)邏輯存儲(chǔ)邏輯一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序存入存入 ROM二、微程序控制單元框圖二、微程序控制單元框圖1. 機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序取指周期微程序?qū)?yīng)對(duì)應(yīng) LDA 操作的微程序操作的微程序?qū)?yīng)對(duì)應(yīng) STA 操作

18、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順序邏輯CMAR地址譯碼地址譯碼控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)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(xiàn)的控制信號(hào)內(nèi)部和系統(tǒng)總線(xiàn)的控制信號(hào) OPIR操作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(gè)微操作命令每一位代表一個(gè)微操

19、作命令速度最快速度最快下地址下地址控制信號(hào)控制信號(hào)操作控制操作控制某位為某位為 “1” 表示該控制信號(hào)有效表示該控制信號(hào)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制字段分成若干 “段段”每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號(hào)每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號(hào)每個(gè)字段中的命令是每個(gè)字段中的命令是 互斥互斥 的的譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼下地址下地址操作控制操作控制控制信號(hào)控制信號(hào)縮短縮短 了微指令了微指令 字長(zhǎng)字長(zhǎng)，增加增加 了譯碼了譯碼 時(shí)間時(shí)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

20、接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5. 其他其他字段字段 1字段字段 2譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼操作控制操作控制控制信號(hào)控制信號(hào)字段字段 n 下地址下地址控制信號(hào)控制信號(hào)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 下地址字段下地址字段 指出指出2. 根據(jù)機(jī)器指令的根據(jù)機(jī)器指令的 操作碼操作碼 形成形成3. 增量計(jì)數(shù)器增量計(jì)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(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)

21、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(zhuān)門(mén)由專(zhuān)門(mén) 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(cè)試地址非測(cè)試地址 h測(cè)試地址測(cè)試地址 l測(cè)試網(wǎng)絡(luò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)測(cè)試源測(cè)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后繼微指令地址形成方式 多路選擇多路選擇地址地址選擇選擇+ + 1CMAR地址譯碼地址譯碼下地址下地址轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式CMDR控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器控制信號(hào)控制信號(hào) 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、