機組課件-第10章控制單元設(shè)計

第十章控制單元的設(shè)計計算機組成原理主講人：李新

山東大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院作者：唐朔飛高等教育出版社2CPU設(shè)計步驟擬定指令系統(tǒng)確定總體結(jié)構(gòu)安排時序擬定指令流程和微命令序列形成控制邏輯格式、尋址方式、指令類型寄存器、ALU、數(shù)據(jù)通路畫流程圖(寄存器傳送級)列操作時間表設(shè)置時序信號3內(nèi)容提要10.2

微程序設(shè)計

10.1

組合邏輯設(shè)計

9.2

控制單元的功能9.1微操作命令的分析

410.1組合邏輯設(shè)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5

2.節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.16

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

機器周期

內(nèi)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

MAR7

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(nèi)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(nèi)完成并允許有先后順序10.181.取指周期微操作的節(jié)拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原則二原則二原則三2.間址周期微操作的節(jié)拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R10.193.執(zhí)行周期微操作的節(jié)拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC10.110④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W10.1⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0?Ad(IR)+A0?

PCPC10.1124.中斷周期微操作的節(jié)拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件關(guān)中斷向量地址PC中斷隱指令完成1W10.113三、組合邏輯設(shè)計步驟1、安排每條指令中微操作的節(jié)拍2、列出微操作命令的操作時間表3、寫出每一個微操作命令的邏輯表達式4、畫出相應(yīng)的組合邏輯電路圖14三、組合邏輯設(shè)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15三、組合邏輯設(shè)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16T2T1T0EX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(shè)計步驟1.列出操作時間表1W10.117三、組合邏輯設(shè)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)ID1IND1EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.118三、組合邏輯設(shè)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)1EXIND1111111111111111111110.119三、組合邏輯設(shè)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)MDRAC0AC1W111111111111110.1202.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)}10.1213.畫出邏輯圖特點

思路清晰，簡單明了

龐雜，調(diào)試困難，修改困難

速度快&&&11&&&&&≥1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR)MDR（RISC）&&10.122作業(yè)P42010.210.423控制器分類組合邏輯控制器：由大量的邏輯門和觸發(fā)器組成1.設(shè)計不規(guī)整2.不易修改微程序控制器：基于“存儲程序，順序執(zhí)行”的思想體制。2410.2微程序設(shè)計微程序控制思想的提出者——威爾克斯1913年6月26日生于英國斯塔福德郡的達德利。于1931-1934年就讀于劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院，之后進入卡文迪許實驗室，并于1936年完成其物理學(xué)博士學(xué)位。博士論文題目是“關(guān)于甚長無線電波在電離層中的傳播特性”（thepropagationofverylongradiowavesintheionosphere）。二戰(zhàn)期間，威爾克斯在TRE服兵役，參與或主持過10cm雷達，GLMarkI、Ⅱ、Ⅲ以及OBOE的研制。戰(zhàn)后，回到劍橋大學(xué)，出任數(shù)學(xué)實驗室（后改名計算機實驗室）主任。1946年10月，他以EDVAC為藍本設(shè)計建造了EDSAC，是第一個實際存儲程序的電子計算機，并于1949年5月成功運行。之后負責(zé)建設(shè)EDSAC2。1980年，威爾克斯從他一直負責(zé)的計算機實驗室退休，出任DEC公司顧問和MIT的兼職教授。1986年回到英國擔(dān)任Olivetti公司顧問。在2000年的新年授勛名單中，威爾克斯被封為爵士。2002年，搬回計算機實驗室，擔(dān)任劍橋大學(xué)榮譽教授。英國皇家科學(xué)院院士1967年第二屆圖靈獎得主Maurice_Wilkes2510.2微程序設(shè)計一、微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生1951英國劍橋大學(xué)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(yīng)一個微程序…存入ROM26微(操作)命令：構(gòu)成控制信號序列的最小單位。微操作：由微命令控制實現(xiàn)的最基本操作。微指令：若干個微命令的組合。微周期：指從控制存儲器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時間。微程序：一系列微指令的有序集合?？刂拼鎯ζ鳎捍娣盼⒊绦虻闹蛔x存儲器。微程序控制器的基本概念微程序微指令1微指令2...微指令n微命令1?微操作1微命令2?微操作2...微命令m?微操作m10.2.2微程序控制單元框圖及工作原理1.機器指令對應(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10.2282.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(nèi)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10.2293.微程序控制單元工作原理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×××303.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?qū)?yīng)

LDA操作的微程序?qū)?yīng)ADD

操作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M………對應(yīng)STA

操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××313.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A(yù)d(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…×××32(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(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…10.233(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(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…10.2100

001M+1M…3410.2.3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10.2352.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363.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3710.2.4微指令序列地址的形成1.微指令的下地址字段指出(斷定方式)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(zhuǎn)移(CMAR)+1CMAR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10.2385.通過測試網(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試地址h測試地址l測試網(wǎng)絡(luò)……測試源微指令地址CMDR操作控制順序控制HL10.2397.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4010.2.5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10.2413.兩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(shù)目少，速度快(3)

水平型微指令用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長的微指令結(jié)構(gòu)(4)

水平型微指令與機器指令差別大10.242六、靜態(tài)微程序設(shè)計和動態(tài)微程序設(shè)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(shè)計1.毫微程序設(shè)計的基本概念微程序設(shè)計用微程序解釋機器指令毫微程序設(shè)計用毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令的關(guān)系好比微指令與機器指令的關(guān)系10.2432.

毫微程序控制存儲器的基本組成

控制存儲器（微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令I(lǐng)R+1CMDR1CMAR2

控制存儲器（毫微程序）水平型微指令…控制信號CMDR210.244八、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10.245還需考慮如何讀出這3條微指令?1.寫出對應(yīng)機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T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)微地址形成部件九、微程序設(shè)計舉例1R若一個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CMAR10.246(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47(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)AC010.248④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)10.249?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)CMAR1W10.250⑧LDA指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMARMDRACAd(CMDR)CMAR1R10.251全部微操作20個微指令38條?轉(zhuǎn)移類指令⑨JMP指令T0T1Ad(IR)PCAd(CMDR)CMAR⑩BAN指令T0T1Ad(CMDR)CMARA0

?Ad(IR)+A0?(PC)PC10.2522.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址字段直接給出(3)微指令字長由20個微操作確定操作控制字段最少20位由38條微指令確定微指令的下地址字段為6位微指令字長可取20＋6＝26位10.253(4)微指令字長的確定1條18條38條微指令中有19條是關(guān)于后續(xù)微指令地址CMARAd(CMDR)CMAR其中若省去了CMAR,用Ad(CMDR)直接送控存地址線則省去了輸至CMAR的時間同理OP(IR)微地址形成部件控存地址線可省去