計算機組成原理-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)計組合邏輯設(shè)計 4.4 微程序設(shè)計微程序設(shè)計 完成一條指令分完成一條指令分 4 個工作周期個工作周期 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 地址線地址線 1 R M ( MAR ) MDR MDR IR ( PC ) + 1 PC +1 MDR CU MAR PC IR 存儲器存儲器 CPU 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 控制總線控制總線 二、間址周期二、間址周期 M ( MAR ) MDR 1 R Ad ( IR ) M

2、AR MDR Ad ( IR ) 指令形式地址指令形式地址 MAR MDR CU MAR CPU 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 控制總線控制總線 IR 存儲器存儲器 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 停機指令停機指令 0 ACC ACC ACC L(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0 R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn 0 G 2. 訪存指令訪存指令 Ad(IR) MAR 1 R M(MAR) MDR (ACC)

3、 + (MDR) ACC Ad(IR) MAR 1 W ACC MDR MDR M(MAR) STA X ADD X (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 Ad ( IR ) MAR 1 R M ( MAR ) MDR MDR ACC 3. 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令 (1) 無條件轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn) (2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移 Ad ( IR ) PC A0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PC LDA X JMP X BAN X（負則轉(zhuǎn)）（負則轉(zhuǎn)） 4. 三類指令的指令周期三類指令的指令周期 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

4、 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 程序斷點存入程序斷點存入 “ 0 ” 地址地址程序斷點程序斷點 進棧進棧 0 MAR 1 W PC MDR MDR M ( MAR ) 向量地址向量地址 PC 0 EINT（置置“0”）0 EINT（置置“0”） 向量地址向量地址 PC MDR M ( MAR ) PC MDR 1 W ( SP ) 1 MAR 中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址

5、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 時鐘時鐘 標志標志 CPU 內(nèi)部的控制信號內(nèi)部的控制信號 到系統(tǒng)總線的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號 來自系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 1. 輸入信號輸入信號 (1) 時鐘時鐘 (2) 指令寄存器指令寄存器 (4) 外來信號外來信號 (3) 標志標志 CU 受時鐘控制受時鐘控制 控制信號控制信號 與操作碼有關(guān)與操作碼有關(guān) OP ( IR ) CU CU 受標志控制受標志控制 INTR 中斷請求中斷請求 HRQ 總線請求總線請求 一個時鐘脈沖一個時鐘脈沖 發(fā)一個操作命令或

6、一組需同時執(zhí)行的操作命令發(fā)一個操作命令或一組需同時執(zhí)行的操作命令 如如 2. 輸出信號輸出信號 (1) CPU 內(nèi)的各種控制信號內(nèi)的各種控制信號 (2) 送至控制總線的信號送至控制總線的信號 Ri Rj (PC) + 1 PC INTA HLDA 訪存控制信號訪存控制信號 訪訪 IO/ 存儲器的控制信號存儲器的控制信號 讀命令讀命令 寫命令寫命令 中斷響應信號中斷響應信號 總線響應信號總線響應信號 MREQ IO/M RD WR ALU 、與、或、與、或 二、多級時序系統(tǒng)二、多級時序系統(tǒng) 1. 機器周期機器周期 (1) 機器周期的概念機器周期的概念 (2) 確定機器周期需考慮的因素確定機器周期

7、需考慮的因素 (3) 基準時間的確定基準時間的確定 所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間 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 時間時間 以完成以完成 最復雜最復雜 指令功能的時間指令功能的時間 為準為準 以以 訪問一次存儲器訪問一次存儲器 的時間的時間 為基準為基準 若指令字長若指令字長 = 存儲字長存儲字長取指周期取指周期 = 機器周期機器周期 2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作一個機器周期內(nèi)可完成若干個微操作 每個微操作需一定的時間每個微操作需一定的時間 用時鐘周期控制產(chǎn)生一個

8、或幾個微操作命令用時鐘周期控制產(chǎn)生一個或幾個微操作命令 將一個機器周期分成若干個時間相等的將一個機器周期分成若干個時間相等的 時間段（時間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期） CLK T0 T1 T2 T3 時鐘周期時鐘周期 2. 時鐘周期時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）（節(jié)拍、狀態(tài)） 機器周期機器周期機器周期機器周期 T0T1T2T3T0T1T2T3 3. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng) 機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng)機器周期、節(jié)拍（狀態(tài)）組成多級時序系統(tǒng) 一個指令周期含若干個機器周期一個指令周期含若干個機器周期 一個機器周期包含若干個時鐘周期一個機器周期包含若干個時鐘周期 CLK 機器周

9、期機器周期 機器周期機器周期 機器周期機器周期 （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 機器周期機器周期機器周期機器周期 （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)) 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序控制方式產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式 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)一基準時標統(tǒng)一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制 CL

10、K 機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期 （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 的機器周期和節(jié)拍的機器周期和節(jié)拍 以以 最長最長 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 標準標準 (2) 采用不同節(jié)拍的機器周期采用不同節(jié)拍的機器周期 機器周期機器周期機器周期機器周期 （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)) 機器周期機器周期機器周期機器周期

11、 （取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令） T0T1T2T3T0T1T2T3TT 延長延長 (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 機器周期機器周期 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 無基準時標信號無基準時標信號 無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和

12、嚴格的時鐘同步 采用采用 應答方式應答方式 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)換開關(guān)指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān) (3) 符合停機開關(guān)符合停機開關(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) 每個每個 控制控制 信號信號在在 指定機器周期指定機器周期 的的指定節(jié)指定節(jié) 拍拍 T 時刻時刻 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 CU CU 外特性外特性 IR 節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器 CU T0 T1 Tn CLK （機器主頻）（機器主頻） 標志標志 0 1 2n-1 C0C1Cn 操作碼譯碼操

13、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)采用非總線方式內(nèi)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 R PC M A R IR AC CU 時鐘時鐘 ALU C1 C2 C5 C9 C0 C10 C3 C7 C4 C6 C12 C11 C8 控制信號控制信號 標志標志 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

14、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 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 MAR M ( MAR ) MDR MDR 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 ) MDR MDR Ad（IR） T0 T1 T2 T0 T1 T2 1 R OP ( IR ) ID A

15、d ( IR ) MAR 1 R 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 T2 T1 T0 FE 取指取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標記標記 PC MAR 1 R M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC MDR IR OP( IR ) ID 1 IND 1 EX I I 111111 111111 111111 111111 111111 1111 111111 111111 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 T2

16、 T1 T0 IND 間址間址 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標記標記 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR MDR Ad (IR) 1 EX IND 1111 1111 1111 1111 1111 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 T2 T1 T0 EX 執(zhí)行執(zhí)行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號 狀態(tài)狀態(tài) 條件條件 節(jié)拍節(jié)拍 工作工作 周期周期 標記標記 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR AC

17、 MDR (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 1 W 111 11 1 11 1 1 1 1 1 2. 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 ) 3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖 特點特點 思路清晰思路清晰 簡單明了簡單明了 龐雜龐雜 調(diào)試困難調(diào)試困難 修改困

18、難修改困難 速度快速度快 & & &1 1 & & & FE IND EX LDAADD JMPBAN STA T1 M ( MAR) MDR （RISC） & 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 英國劍橋大學教授英國劍橋大學教授 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 1 10100000 微指令微指令 n 微程序微程序 00010010 存儲邏輯存儲邏輯 一條機器指令對應一個微程序一條機器指令對應一個微程序 存入存入 ROM 二、微程序控制單元框圖二、微程序控制單元

19、框圖 1. 機器指令對應的微程序機器指令對應的微程序 M+1 M M+2 P+1 K K+2 P P+2 K+1 取指周期微程序取指周期微程序 對應對應 LDA 操作的微程序操作的微程序 對應對應 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 順序邏輯順序邏輯 CMAR 地址譯碼地址譯碼 控制存儲器控制存儲器 標志標志 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 操作控制操作控制順序控制順序控制 微指

20、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 譯碼譯

21、碼 譯碼譯碼 下地址下地址 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 控制信號控制信號 字段字段 n 下地址下地址 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)絡通過測試網(wǎng)絡 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