控制單元的設計

1、控制單元的設計第1頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三10.1 組合邏輯設計一、組合邏輯控制單元框圖1. CU 外特性IR節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1TnCLK（機器主頻）標志012n-1C0C1Cn操作碼譯碼n 位操作碼第2頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 2.節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1第3頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 二、微操作的節(jié)拍安排采用 同步控制方式CPU 內(nèi)部結構采用非總線方式一個 機器周期 內(nèi)有 3 個節(jié)拍（時鐘周期）10.1PCIRACCU時鐘A

2、LUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號標志控制信號 M D R M A R第4頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 1. 安排微操作時序的原則原則一 微操作的 先后順序不得 隨意 更改原則二 被控對象不同 的微操作 盡量安排在 一個節(jié)拍 內(nèi)完成原則三 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10.1第5頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2. 取指周期 微操作的 節(jié)拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原則二原則二原則三3. 間址周期 微操作的

3、節(jié)拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R10.1第6頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三4. 執(zhí)行周期 微操作的 節(jié)拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC10.1第7頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR

4、) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W10.1第8頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC10.1第9頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三5. 中斷周期 微操作的 節(jié)拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件關

5、中斷向量地址 PC中斷隱指令完成1 W10.1第10頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表T2T1T0 FE取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII10.1間址特征第11頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表T2T1T0 IND 間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad (IR)

6、MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND10.1間址周期標志第12頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三T2T1T0 EX執(zhí)行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表1 W10.1第13頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表T2T1T0 FE取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操

7、作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1第14頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表T2T1T0 IND 間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND1111111111111111111110.1第15頁，

8、共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表T2T1T0 EX執(zhí)行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號狀態(tài)條件節(jié)拍工作周期標記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W111111111111110.1第16頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2. 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 (

9、MAR ) MDR= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 10.1第17頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三3. 畫出邏輯圖特點 思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試困難，修改困難 速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&10.1第18頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三10.2 微程序設計一、微程序設計思想的產(chǎn)生1951 英國劍橋大學教授 Wilkes 完成一條機器指令微操作命令 1微操作命令 2微操作命令 n

10、微指令 110100000微指令 n微程序00010010存儲邏輯一條機器指令對應一個微程序存入 ROM第19頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三二、微程序控制單元框圖及工作原理1. 機器指令對應的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序?qū)?LDA 操作的微程序?qū)?STA 操作的微程序間址周期微程序中斷周期微程序10.2第20頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2. 微程序控制單元的基本框圖 微地址 形成部件順序邏輯CMAR地址譯碼控制存儲器標志CLK下地址CMDR至 CPU 內(nèi)部和系統(tǒng)總線的控制信號 OPIR順序控制操作控制微

11、指令基本格式10.2第21頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三二、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)?LDA 操作的微程序?qū)?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第22頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三3. 工作原理LDA XADD YSTA Z主存STP用戶程序10.2控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期 微程序?qū)?LDA 操作的微程序?qū)?ADD 操作的微程序Q+1Q+2MM+

12、1M+2P+1P+2M對應 STA 操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1第23頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三3. 工作原理(1) 取指階段M CMARCM ( 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Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 發(fā)命令M + 1M + 2PC MAR1 RM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IR1 0 0 0 0 1M+1M0 1 0 0 1 0M+2M + 1形成下條微指令地址執(zhí)

13、行取指微程序10.20 0 1 0 0 0 0M + 2第24頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三(2) 執(zhí)行階段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 發(fā)命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 發(fā)命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 發(fā)命令OP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR( P CMAR )Ad (CMDR ) CMARAd ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P + 2 M執(zhí)行 LDA 微程序 形成下條微指令地址 P

14、+ 1形成下條微指令地址 P + 2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+1P10.2第25頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三(3) 取指階段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 發(fā)命令M CMAR PC MAR1 R全部微指令存在 CM 中，程序執(zhí)行過程中 只需讀出關鍵 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10.21 0 0 0 0 1M+1M第26頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三三、微指令的編碼方式（控制方式）1. 直接編碼

15、（直接控制）方式 在微指令的操作控制字段中， 每一位代表一個微操作命令速度最快下地址控制信號操作控制某位為 “1” 表示該控制信號有效10.2第27頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2. 字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干 “段”，每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號每個字段中的命令是 互斥 的譯碼譯碼譯碼下地址操作控制控制信號縮短 了微指令 字長，增加 了譯碼 時間微程序執(zhí)行速度較慢10.2顯式編碼第28頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三3. 字段間接編碼方式4. 混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用5. 其他字段 1字段 2譯碼譯碼譯碼操

16、作控制控制信號字段 n下地址控制信號10.2隱式編碼第29頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三四、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)機器指令的 操作碼 形成3. 增量計數(shù)器4. 分支轉(zhuǎn)移( CMAR ) + 1 CMAR 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10.2第30頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三5. 通過測試網(wǎng)絡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試地址 h測試地址 l測試網(wǎng)絡測試源微指令地

17、址CMDR操作控制順序控制HL10.2第31頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三7. 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控制存儲器控制信號 分支 邏輯標志微程序入口10.2OPIR 微地址 形成部件 多路選擇第32頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三五、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器指令操作碼 的方式一次能定義并執(zhí)行多個并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能10.2第33頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期

18、三3. 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 ， 靈活性強(2) 水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的 微指令 數(shù)目少，速度快(3) 水平型微指令 用較短的微程序結構換取較長的 微指令結構(4) 水平型微指令與機器指令 差別大10.2第34頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計靜態(tài) 微程序無須改變，采用 ROM動態(tài) 通過 改變微指令 和 微程序 改變機器指令， 有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序設計1. 毫微程序設計的基本概念微程序設計 用 微程序解釋機器指令毫微程序設計 用 毫微程序解釋微程序毫微指令與

19、微指令 的關系好比 微指令與機器指令 的關系10.2第35頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2.毫微程序控制存儲器的基本組成 控制存儲器 （微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令IR+ 1CMDR1CMAR2 控制存儲器（毫微程序）水平型微指令控制信號CMDR210.2第36頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三八、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+

20、2 條微指令串行 微程序控制并行 微程序控制10.2第37頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三還需考慮 如何讀出 這 3 條微指令 ?1. 寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排假設 CPU 結構與組合邏輯相同(1) 取指階段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件九、微程序設計舉例1 R若一個 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Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR10.2第38頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6

21、分，星期三(2) 取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要 形成后續(xù)微指令的地址T0T1T2T3T4T51R( PC )+1PCOP ( IR )微地址形成部件MARPCCMARAd ( CMDR )MDRM ( MAR )CMARAd ( CMDR )IRMDR10.2CMAROP ( IR )微地址形成部件第39頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三(3) 執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后續(xù)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 CLA 指令T0T1 COM 指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR

22、)AC010.2第40頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 CSL 指令T0T1 STP 指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR )10.2第41頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 訪存指令 ADD 指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMAR( AC ) + ( MDR )ACAd ( C

23、MDR )CMAR1R STA 指令T0T1T2T3T4T5Ad (IR)MARAd ( CMDR )CMARACMDRAd ( CMDR )CMARMDRM (MAR)Ad ( CMDR )CMAR1W10.2第42頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三 LDA 指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R10.2第43頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三全部微操作 20個微指令 38條 轉(zhuǎn)移類指令 JMP 指令T0T1Ad ( IR)PCAd ( CMDR )CMAR BAN 指令T0T1Ad ( CMDR )CMARA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC )PC10.2第44頁，共48頁，2022年，5月20日，15點6分，星期三2. 確定微指令格式(1) 微指令的編碼方式(2) 后續(xù)微指令的地址形成方式采用直接控制由機器指令的操作碼通過微地址形成