控制單元的設(shè)計(jì)

1、控制單元的設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三10.1 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CUT0T1TnCLK（機(jī)器主頻）標(biāo)志012n-1C0C1Cn操作碼譯碼n 位操作碼第2頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三 2.節(jié)拍信號(hào)CLKT0T1T2T3時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1第3頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(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）10.1PCIRACCU時(shí)鐘A

2、LUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號(hào)標(biāo)志控制信號(hào) M D R M A R第4頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三 1. 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10.1第5頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(guān)

5、中斷向量地址 PC中斷隱指令完成1 W10.1第10頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(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PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII10.1間址特征第11頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(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)

6、MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND10.1間址周期標(biāo)志第12頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三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) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表1 W10.1第13頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(shí)間表T2T1T0 FE取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操

7、作命令信號(hào)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 EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1第14頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(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) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND1111111111111111111110.1第15頁(yè)，

8、共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三三、組合邏輯設(shè)計(jì)步驟1. 列出操作時(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) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W111111111111110.1第16頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三2. 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 (

9、MAR ) MDR= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 10.1第17頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三3. 畫(huà)出邏輯圖特點(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）&10.1第18頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三10.2 微程序設(shè)計(jì)一、微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生1951 英國(guó)劍橋大學(xué)教授 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

10、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第19頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三二、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10.2第20頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(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

11、指令基本格式10.2第21頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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)?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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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)?yīng) LDA 操作的微程序?qū)?yīng) ADD 操作的微程序Q+1Q+2MM+

12、1M+2P+1P+2M對(duì)應(yīng) STA 操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1第23頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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A(yù)d (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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三(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( 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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(guò)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10.21 0 0 0 0 1M+1M第26頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(gè)微操作命令速度最快下地址控制信號(hào)操作控制某位為 “1” 表示該控制信號(hào)有效10.2第27頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(hào)每個(gè)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(hào)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10.2顯式編碼第28頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(hào)字段 n下地址控制信號(hào)10.2隱式編碼第29頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(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 ) + 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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三5. 通過(guò)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(mén) 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(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

17、址CMDR操作控制順序控制HL10.2第31頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(chǔ)器控制信號(hào) 分支 邏輯標(biāo)志微程序入口10.2OPIR 微地址 形成部件 多路選擇第32頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(jī)器指令操作碼 的方式一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能10.2第33頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(qiáng) ， 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)(4) 水平型微指令與機(jī)器指令 差別大10.2第34頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三六、靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)靜態(tài) 微程序無(wú)須改變，采用 ROM動(dòng)態(tài) 通過(guò) 改變微指令 和 微程序 改變機(jī)器指令， 有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序設(shè)計(jì)1. 毫微程序設(shè)計(jì)的基本概念微程序設(shè)計(jì) 用 微程序解釋機(jī)器指令毫微程序設(shè)計(jì) 用 毫微程序解釋微程序毫微指令與

19、微指令 的關(guān)系好比 微指令與機(jī)器指令 的關(guān)系10.2第35頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三2.毫微程序控制存儲(chǔ)器的基本組成 控制存儲(chǔ)器 （微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令I(lǐng)R+ 1CMDR1CMAR2 控制存儲(chǔ)器（毫微程序）水平型微指令控制信號(hào)CMDR210.2第36頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三還需考慮 如何讀出 這 3 條微指令 ?1. 寫(xiě)出對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的微操作及節(jié)拍安排假設(shè) CPU 結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)舉例1 R若一個(gè) 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A(yù)d ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR10.2第38頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三 LDA 指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R10.2第43頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期三全部微操作 20個(gè)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(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)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(jī)器指令的操作碼通過(guò)微地址形成