第10章 控制單元設計

第10章控制單元設計10.1組合邏輯設計10.2微程序設計*重點

1.組合邏輯控制單元的設計思想2.微程序控制單元的設計思想*難點

微程序控制是一種更規(guī)范的控制方法，學會如何確定微指令格式，編出微指令的碼點是本章的難點。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CUT0T1Tn…CLK（機器主頻）…標志012n-1…C0C1Cn操作碼譯碼n

位操作碼圖10.1帶譯碼和節(jié)拍輸入的控制單元框圖發(fā)至CPU內部及系統(tǒng)總線的控制信號…

二、微操作的節(jié)拍安排采用

同步控制方式CPU

內部結構采用非總線方式一個

機器周期

內有

3

個節(jié)拍（時鐘周期）PCIRACCU時鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號標志控制信號

MDR

MAR圖9.31.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)拍內完成并允許有先后順序。2.取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三3.間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R4.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)R(AC)，0ACACAC④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)L(AC)，AC0

ACnT0T1T20GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MAR，ACMDRMDRM(MAR)1R1W⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC5.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MAR，PCMDRMDRM(MAR)，硬件關中斷向量地址PC1W三、組合邏輯設計步驟1.列出微操作命令的操作時間表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PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII間址特征表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND間址周期標志表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)

ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W表10.1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PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W1111111111111表10.1操作時間表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(MAR)MDR=T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}例如，根據(jù)表10.1可寫出微操作命令邏輯表達式：M(MAR)MDR3.畫出微操作命令的邏輯圖特點

思路清晰，簡單明了

龐雜，調試困難，修改困難

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&圖10.3產生M(MAR)→MDR命令的邏輯圖10.2微程序設計一、微程序設計思想的產生1951英國劍橋大學教授M.V.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…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…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…取指周期微程序對應LDA操作的微程序對應STA操作的微程序間址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內部和系統(tǒng)總線的控制信號OPIR順序控制操作控制微指令基本格式圖10.5微程序控制單元的基本組成和微指令的基本格式控制存儲器控制存儲器簡稱為控存，是微程序控制單元的核心部件，用來存放全部微程序。CMAR

控存的地址寄存器，用來存放欲讀出的微指令的地址。CMDR

控存的數(shù)據(jù)寄存器，用來存放從控存讀出的微指令。順序邏輯用來控制微指令序列。具體的是控制形成下一微指令(后續(xù)微指令)的地址，其輸入與微地址形成部件、微指令的下地址字段以及外來的標志有關。微指令的基本格式共分為兩個字段，一個為操作控制字段，該字段發(fā)出各種控制信號；另一個字段為順序控制字段，它可指出下條微指令的地址(簡稱下地址)，以控制微指令的執(zhí)行順序。3.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用戶程序控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1…取指周期微程序對應

LDA操作的微程序對應ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………對應STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××(1)取指階段MCMARCM(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+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR100001M+1M…010010M+2M+1…形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序0010000M+2…×××(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(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2

…M執(zhí)行LDA微程序形成下條微指令地址P+1形成下條微指令地址P+2形成下條微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…(3)取指階段CM(CMAR)CMDR由CMDR發(fā)命令MCMARPCMAR1R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…100

001M+1M…三、微指令的編碼方式（控制方式）1.直接編碼（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下地址…控制信號操作控制其中，某位為“1”表示該控制信號有效圖10.7直接編碼方式特點：含義清晰，速度最快；因為機器中微操作命令太多，造成控存容量大。2.字段直接編碼方式將微指令的控制字段分成若干“段”，將一組互斥的微操作命令放在一個字段內，通過對這個字段譯碼，便可對應每一個微命令。這種方式因靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故又有顯示編碼之稱。譯碼…譯碼…譯碼…下地址操作控制控制信號特點：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。圖10.8字段直接編碼方式3.字段間接編碼方式…字段1…字段2譯碼譯碼譯碼…操作控制控制信號…字段n下地址……控制信號特點：進一小縮短微指令字長，但因削弱了微指令的并行控制能力，因此通常用做字段直接編碼法的一種輔助手段。圖10.9字段間接編碼方式一個字段的某些微命令還需要由另一個字段中的某些命令來解釋。由于不是靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故稱為字段間接編碼，又稱隱式編碼。4.混合編碼直接編碼和字段編碼（直接和間接）混合使用，以便能綜合考慮指令的字長、靈活性和執(zhí)行微程序的速度等方面的要求。5.其他微指令中可以設置常數(shù)字段，用來提供常數(shù)、計數(shù)器初值等。常數(shù)字段還可以和某些解釋位配合，如解釋位為0，表示該字段提供常數(shù)；解釋位為1，表示該字段提供某種命令，使微指令更靈活。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.分支轉移(CMAR)+1CMAR轉移地址操作控制字段

轉移方式其中，轉移方式指明判別條件，轉移地址；指明轉移成功后的去向。5.通過測試網絡6.由硬件產生微程序入口地址第一條微指令地址由專門硬件產生。當電源加電后，第一條微指令的地址由專門硬件電路產生，也可以由外部直接向CMAR輸入微指令的地址，這個地址即為取指周期微程序的入口地址；中斷周期、間址周期可由硬件產生中斷周期微程序或間周期微程序的首地址。非測試地址h測試地址l測試網絡……測試源微指令地址CMDR操作控制順序控制HL圖10.10通過測試網絡形成微指令地址7.后續(xù)微指令地址形成方式原理圖地址選擇+1CMAR地址譯碼下地址轉移方式CMDR控制存儲器…控制信號

分支

邏輯…標志微程序入口OPIR

微地址

形成部件

多路選擇圖10.11后續(xù)微指令地址形成方式的原理圖五、微指令格式1.水平型微指令如直接編碼、字段編碼（直接、間接）、直接和字段混合編碼都屬于水平型微指令。其中，直接編碼速度最快，字段編碼要經過譯碼，故速度受影響。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)行多個并行操作在微指令中，設置操作碼字段，由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能。通常一條微指令有1~2個微命令，控制1~2種操作。這種微指令不強調其并行控制功能。表10.2垂直型微指令示例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，效率高，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；垂直型微指令正相反，它以較長的微程序結構換取較短的微指令結構；(4)

水平型微指令與機器指令差別大；垂直型微指令與機器指令相似。選擇題1、在微程序控制器中，機器指令與微指令的關系是

。A.每一條機器指令由一條微指令來執(zhí)行B.每一條機器指令由若干條微指令組成的微程序來解釋執(zhí)行C.若干條機器指令組成的程序可由一個微程序來執(zhí)行2、微指令執(zhí)行的順序控制問題，實際上是如何確定下一條微指令地址的問題，通常用的一種方法是斷定方式，其基本思想是_____。

A.用微程序計數(shù)器來產生后續(xù)微指令的地址

B.在指令中指定一個專門字段來產生后續(xù)微指令地址

C.由設計者在微指令代碼中指定，或者由設計者指定的判別測試字段控制產生后續(xù)指令的地址CB3、在微程序控制器中，控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的某個控制信號稱為

。

A.微指令B.微操作C.微命令4、機器指令（除轉移指令外）代碼中的地址字段用于

，微指令代碼中的地址字段用于______。

A.確定執(zhí)行順序B.存取地址C.存取數(shù)據(jù)5.相對于微程序控制器，硬布線控制器的特點是_____。

(2009年考研題)A．指令執(zhí)行速度慢，指令功能的修