控制單元的設計

控制單元的設計第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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

位操作碼第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

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）10.1PCIRACCU時鐘ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號標志控制信號

MDR

MAR第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

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10.1第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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)MAR1R10.1第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.1第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.1第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月5.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件關中斷向量地址PC中斷隱指令完成1W10.1第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、組合邏輯設計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE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)ID1IND1EXII10.1間址特征第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND10.1間址周期標志第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月T2T1T0EX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)MDRAC0AC三、組合邏輯設計步驟1.列出操作時間表1W10.1第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、組合邏輯設計步驟1.列出操作時間表T2T1T0FE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)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND1111111111111111111110.1第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、組合邏輯設計步驟1.列出操作時間表T2T1T0EX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)MDRAC0AC1W111111111111110.1第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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)}10.1第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.畫出邏輯圖特點

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）&&10.1第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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10.2第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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10.2第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM轉執(zhí)行周期微程序…轉取指周期微程序…10.2×××第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.工作原理LDAXADDYSTAZ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×××第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.工作原理(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10.20010000M+2…×××第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(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…10.2第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(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…10.2100

001M+1M…第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月四、微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出2.根據機器指令的操作碼形成3.增量計數器4.分支轉移(CMAR)+1CMAR轉移地址操作控制字段

轉移方式轉移方式指明判別條件轉移地址指明轉移成功后的去向10.2第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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中斷周期由硬件產生中斷周期微程序首地址非測試地址h測試地址l測試網絡……測試源微指令地址CMDR操作控制順序控制HL10.2第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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10.2OPIR

微地址

形成部件

多路選擇第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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微指令的關系好比微指令與機器指令的關系10.2第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月八、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+2

條微指令串行微程序控制并行微程序控制10.2第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序設計舉例1R若一個T

內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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(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①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC010.2第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.2第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月?訪存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMAR(AC)+(MDR)ACAd(CMDR)CMAR1R⑦STA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARACMDRAd(CMDR)CMARMDRM(MAR)Ad(CMDR)CMAR1W10.2第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R10.2第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月全部微操作20個微指令38條?轉移類指令⑨JMP指令T0T1Ad(IR)PCAd(CMDR)CMAR⑩BAN指令T0T1Ad(CMDR)CMARA0

?Ad(IR)+A0?(PC)PC10.2第44頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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部件形成由微指令的下地