計算機組成原理唐朔飛PPT 第10章 控制單元的設計

1、10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計10.2 微程序設計微程序設計一、組合邏輯控制單元框圖一、組合邏輯控制單元框圖1. . CU 外特性外特性IR節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1TnCLK（機器主頻）（機器主頻）標志標志0 12n-1C0C1Cn操作碼譯碼操作碼譯碼n 位操作碼位操作碼2. .節(jié)拍信號節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3二、微操作的節(jié)拍安排二、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)部結構采用非總線方式內(nèi)部結構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)

2、拍（時鐘周期）PCIRACCU時鐘時鐘ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A R1. 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二、微操作的節(jié)拍安排二、微操作的節(jié)拍安排2. 取指周期

3、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 )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R二、微操作的節(jié)拍安排二、微操作的節(jié)拍安排4. 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC二、微操作的節(jié)拍安排二、

4、微操作的節(jié)拍安排 CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W二、微操作的節(jié)拍安排二、微操作的節(jié)拍安排 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC二、微操作的節(jié)拍安排二

5、、微操作的節(jié)拍安排5. 中斷周期中斷周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件關中斷硬件關中斷向量地址向量地址 PC中斷隱指令完成中斷隱指令完成1 W二、微操作的節(jié)拍安排二、微操作的節(jié)拍安排三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟首先，列出微操作命令的操作時間表首先，列出微操作命令的操作時間表其次，寫出每一個微操作命令（控制信號）其次，寫出每一個微操作命令（控制信號）的邏輯表達式的邏輯表達式最后，根據(jù)邏輯表達式畫出相應的組合邏輯最后，根據(jù)邏輯表達式畫出相應的組合邏輯電路圖電路圖三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時

6、間表列出操作時間表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA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 MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII間址特征間址特征1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 IND 間址間址JMPLDASTAADDCOMCLA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) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND間址周期標志間址周期標志三、組合邏輯設計步驟

7、三、組合邏輯設計步驟T2T1T0 EX執(zhí)行執(zhí)行 JMPLDASTAADDCOMCLA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) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1. 列出操作時間表列出操作時間表1 W三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA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 MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +

8、1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 IND 間址間址JMPLDASTAADDCOMCLA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) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND11111111111111111111三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 EX執(zhí)行執(zhí)行

9、JMPLDASTAADDCOMCLA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) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W1111111111111三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟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 參照參照P402 表表10.1 操作時間表操作時間表= FE T1 + IND T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX T1 ( ADD +LDA )M ( MAR ) MDR= T1

10、FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試困難，修改困難龐雜，調(diào)試困難，修改困難 速度快速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟一、微程序設計思想的產(chǎn)生一、微程序設計思想的產(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

11、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存儲邏輯：控制存儲器存儲邏輯：控制存儲器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及工作原理二、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機器指令對應的微程序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

12、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順序控制順序控制操作控制操作控制微指令基本格式微指令基本格式二、微程序控制單元框圖及工作原理二、微程序控制單元框圖及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序對應對應 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間址周期 微程序微程序中斷周期中斷周期 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM

13、轉執(zhí)行周期微程序轉執(zhí)行周期微程序轉取指周期微程序轉取指周期微程序二、微程序控制單元框圖及工作原理二、微程序控制單元框圖及工作原理3. 工作原理工作原理LDA XADD YSTA Z主存主存STP用戶程序用戶程序控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序對應對應 LDA 操操作的微程序作的微程序對應對應 ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M對應對應 STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+13. 工作原理工作原理(1) 取指階段取指階段M CMARCM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命

14、令形成下條微指令地址形成下條微指令地址Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(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形成下條微指令地址執(zhí)行取指微程序執(zhí)行取指微程序0 0 1 0 0 0 0M + + 2(2) 執(zhí)行階段執(zhí)行階段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令Ad

15、 (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令OP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR( P CMAR )Ad (CMDR ) CMARAd ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P + + 2 M執(zhí)行執(zhí)行 LDA 微程序微程序 形成下條微指令地址形成下條微指令地址 P + + 1形成下條微指令地址形成下條微指令地址 P + + 2形成下條微指令地址形成下條微指令地址 M( M CMAR )0 1

16、 0 0 0P+ +2P + + 10 0 0 1 0 0 1P+ +1P(3) 取指階段取指階段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 發(fā)命令發(fā)命令M CMAR PC MAR1 R全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中，程序執(zhí)行過程中，程序執(zhí)行過程中 只需讀出只需讀出關鍵關鍵 微指令的微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微操作命令 微指令的微指令的 后續(xù)地址如何形成后續(xù)地址如何形成執(zhí)行取指微程序執(zhí)行取指微程序1 0 0 0 0 1M+ +1M三、微指令的編碼方式三、微指令的編碼方式(控制方式控制方式)1. 直接編碼（直接控制）方式直接編碼（直接控制）方式 在

17、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)行速度較慢顯式編

18、碼顯式編碼三、微指令的編碼方式三、微指令的編碼方式(控制方式控制方式)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隱式編碼隱式編碼三、微指令的編碼方式三、微指令的編碼方式(控制方式控制方式)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

19、量計數(shù)器4. 分支轉移分支轉移( CMAR ) + 1 CMAR 轉移地址轉移地址操作控制字段操作控制字段 轉移方式轉移方式轉移方式轉移方式 指明判別條件指明判別條件轉移地址轉移地址 指明轉移成功后的去向指明轉移成功后的去向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第一條微指令地址 由專門由專門 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試地址非測試地址 h測試地址測試地址 l測試網(wǎng)絡測試網(wǎng)絡測試源測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HL四、微

20、指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成7. 后續(xù)微指令地址形成方式原理圖后續(xù)微指令地址形成方式原理圖地址地址選擇選擇+ + 1CMAR地址譯碼地址譯碼下地址下地址轉移方式轉移方式CMDR控制存儲器控制存儲器控制信號控制信號 分支分支 邏輯邏輯標志標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 多路選擇多路選擇四、微指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成五、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、字段直接編碼、字段間接編碼、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直接和字段混合編碼2. 垂直型微指令垂直型微指令類似機器指令

21、操作碼類似機器指令操作碼 的方式的方式一次能定義并執(zhí)行多個并行操作一次能定義并執(zhí)行多個并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能3. 兩種微指令格式的比較兩種微指令格式的比較(1) 水平型微指令比垂直型微指令水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力強并行操作能力強 ， 靈活性強靈活性強(2) 水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的水平型微指令執(zhí)行一條機器指令所要的 微指令微指令 數(shù)目少，速度快數(shù)目少，速度快(3) 水平型微指令水平型微指令 用較短的微程序結構換取較長的用較短的微程序結構換取較長的 微指令結構微指令結構(4) 水平型微指令與機器指令水平型微指令與機器指令 差

22、別大差別大五、微指令格式五、微指令格式六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計靜態(tài)靜態(tài) 微程序無須改變，采用微程序無須改變，采用 ROM動態(tài)動態(tài) 通過通過 改變微指令改變微指令 和和 微程序微程序 改變機器指令，改變機器指令， 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序設計七、毫微程序設計1. 毫微程序設計的基本概念毫微程序設計的基本概念微程序設計微程序設計 用用 微程序解釋機器指令微程序解釋機器指令毫微程序設計毫微程序設計 用用 毫微程序解釋微程序毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令毫微指令與微指令 的關系好比的關系好比 微指令與機器指令微指令與機器指

23、令 的關系的關系2.毫微程序控制存儲器的基本組成毫微程序控制存儲器的基本組成 控制存儲器控制存儲器 （微程序）（微程序）CMAR1MOPOP轉移地址轉移地址垂直型垂直型微指令微指令IR+ + 1CMDR1CMAR2 控制存儲器控制存儲器（毫微程序）（毫微程序）水平型微指令水平型微指令控制信號控制信號CMDR2七、毫微程序設計七、毫微程序設計八、串行微程序控制和并行微程序控制八、串行微程序控制和并行微程序控制取第取第 i+1 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指

24、令條微指令取第取第 i+1 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條微指令取第取第 i+2 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+2 條微指令條微指令串行串行 微程序控制微程序控制并行并行 微程序控制微程序控制還需考慮還需考慮 如何讀出如何讀出 這這 3 條微指令條微指令 ?1. 寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排假設假設 CPU 結構與組合邏輯相同結構與組合邏輯相同(1) 取指階段微操作分析取指階段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件九、微程

25、序設計舉例九、微程序設計舉例1 R若一個若一個 T 內(nèi)安排一條微指令內(nèi)安排一條微指令則取指操作需則取指操作需 3 條微指令條微指令3 條微指令條微指令Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR(2) 取指階段的微操作及節(jié)拍安排取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要考慮到需要 形成后續(xù)微指令的地址形成后續(xù)微指令的地址T0T1T2T3T4T51R( PC )+1PCOP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件MARPCCMARAd ( CMDR )MDRM ( MAR )CMARAd ( CMDR )IRMDRCMAROP ( IR )微地址形成部件

26、微地址形成部件九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例(3) 執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排執(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取指微程序的入口地址 M由微指令下地址字段指出由微指令下地址字段指出 非訪存指令非訪存指令 CLA 指令指令T0T1 COM 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR )AC0九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例 CSL 指令指令T0T1 STP 指令指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC )

27、SHR 指令指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR )九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例 訪存指令訪存指令 ADD 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMAR( AC ) + ( MDR )ACAd ( CMDR )CMAR1R STA 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad (IR)MARAd ( CMDR )CMARACMDRAd ( CMDR )CMARMDRM (MAR)Ad ( CMDR )CMAR1W九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例 LD

28、A 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例全部微操作全部微操作 20個個微指令微指令 38條條 轉移類指令轉移類指令 JMP 指令指令T0T1Ad ( IR)PCAd ( CMDR )CMAR BAN 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC )PC九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例2. 確定微指令格式確定微指令格式(1) 微指令的編碼方式微指令的編碼方式(2)

29、后續(xù)微指令的地址形成方式后續(xù)微指令的地址形成方式采用直接控制采用直接控制由機器指令的操作碼通過微地址形成部件形成由機器指令的操作碼通過微地址形成部件形成由微指令的下地址字段直接給出由微指令的下地址字段直接給出(3) 微指令字長微指令字長由由 20 個微操作個微操作確定確定 操作控制字段操作控制字段 最少最少 20 位位由由 38 條微指令條微指令確定微指令的確定微指令的 下地址字段下地址字段 為為 6 位位微指令字長微指令字長 可取可取 20 6 26 位位九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例(4) 微指令字長的確定微指令字長的確定1 條條18 條條38 條微指令中有條微指令中有 19 條條是關于后續(xù)微指令地址是關于后續(xù)微指令地址CMARAd ( CMDR )CMAR其中其中若用若用 Ad ( CMDR ) 直