第10章 控制单元设计

1、第第 10 章章 控制单元设计控制单元设计10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计10.2 微程序设计微程序设计* *重重 点点 1. 组合逻辑控制单元的设计思想组合逻辑控制单元的设计思想2. 微程序控制单元的设计思想微程序控制单元的设计思想* *难难 点点 微程序控制是一种更规范的控制方法，微程序控制是一种更规范的控制方法，学会如何确定微指令格式，编出微指令的码学会如何确定微指令格式，编出微指令的码点是本章的难点。点是本章的难点。10.1 10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计一、组合逻辑控制单元框图一、组合逻辑控制单元框图1. . CU 外特性外特性IR节拍发生器节拍发生器CUT0T1TnCLK（机

2、器主频）（机器主频）标志标志0 12n-1C0C1Cn操作码译码操作码译码n 位操作码位操作码图图 10.1 10.1 带译码和节拍输入的控制单元框图带译码和节拍输入的控制单元框图发至发至CPU内部及系统总线的控制信号内部及系统总线的控制信号 二、微操作的节拍安排二、微操作的节拍安排采用采用 同步控制方式同步控制方式CPU 内部结构采用非总线方式内部结构采用非总线方式一个一个 机器周期机器周期 内有内有 3 个节拍（时钟周期）个节拍（时钟周期）PCIRACCU时钟时钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A R

3、图图 9.39.31. 安排微操作时序的原则安排微操作时序的原则原则一原则一 微操作的先后顺序不得随意更改；微操作的先后顺序不得随意更改；原则二原则二 被控对象不同的微操作，尽量安排在一个节被控对象不同的微操作，尽量安排在一个节 拍内完成；拍内完成；原则三原则三 占用时间较短的微操作，尽量安排在一个节占用时间较短的微操作，尽量安排在一个节 拍内完成并允许有先后顺序。拍内完成并允许有先后顺序。2. 取指周期微操作的节拍安排取指周期微操作的节拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原则二原则二原则二原则二原则三原则三3. 间址周期微操作的节拍安排间址周期微

4、操作的节拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R4. 执行周期微操作的节拍安排执行周期微操作的节拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )，0 ACAC AC CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )， AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MAR，M ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MAR

5、，AC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MAR，M ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC5. 中断周期微操作的节拍安排中断周期微操作的节拍安排T0T1T20 MAR，PC MDRMDR M ( MAR )，硬件关中断硬件关中断向量地址向量地址 PC1 W三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出微操作命令的操作时间表列出微操作命令的操作时间表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作

6、命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII间址特征间址特征表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表T2T1T0 IND 间址间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND间址周期标志间址周期标志表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表T2T1T0 EX执行执行 JMPLDASTAADDC

7、OMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII1111111111111111111111111111111111111

8、111111111表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表T2T1T0 IND 间址间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND11111111111111111111表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表T2T1T0 EX执行执行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) A

9、CMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W1111111111111表表10.1 10.1 操作时间表操作时间表2. 写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最简表达式= 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，根据表例如，根据表 10.1 可写出可写出微操作命令逻辑表达式：微操作命令逻辑表达式：M ( MAR ) MDR3. 画出微

10、操作命令的逻辑图画出微操作命令的逻辑图特点特点 思路清晰，简单明了思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难庞杂，调试困难，修改困难 速度快速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M(MAR) MDR（RISC）&图图 10.3 10.3 产生产生 M(MAR)MDR M(MAR)MDR 命令的逻辑图命令的逻辑图10.2 10.2 微程序设计微程序设计一、微程序设计思想的产生一、微程序设计思想的产生1951 英国剑桥大学教授英国剑桥大学教授 M.V.Wilkes 完成完成一条机器指令一条机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

11、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存储逻辑存储逻辑一条机器指令对应一个微程序，存入一条机器指令对应一个微程序，存入 ROM二、微程序控制单元框图及工作原理二、微程序控制单元框图及工作原理1. 机器指令对应的微程序机器指令对应的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序取指周期微程序对应对应 LDA 操作的微程序操作的微程序对应对应 STA 操作的微程序操作的微程序间址周期微程序间址周期微程序中断周期微程序中断周期微程序2. 微程序控制单元的基本框图微程序控制单元的基本框图 微地址微地址 形成部件形成部件顺序逻辑

12、顺序逻辑CMAR地址译码地址译码控制存储器控制存储器标志标志CLK下地址下地址CMDR至至 CPU 内部和系统总线的控制信号内部和系统总线的控制信号 OPIR顺序控制顺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图图10.5 10.5 微程序控制单元的基本组成和微程序控制单元的基本组成和微指令的基本格式微指令的基本格式控制存储器控制存储器 控制存储器简称为控存，是微程序控制单元的核心部控制存储器简称为控存，是微程序控制单元的核心部件，用来存放全部微程序。件，用来存放全部微程序。CMAR 控存的地址寄存器，用来存放欲读出的微指令的地址。控存的地址寄存器，用来存放欲读出的微指令的地址。CMD

13、R 控存的数据寄存器，用来存放从控存读出的微指令。控存的数据寄存器，用来存放从控存读出的微指令。顺序逻辑顺序逻辑 用来控制微指令序列。具体的是控制形成下一微指令用来控制微指令序列。具体的是控制形成下一微指令(后续微指令后续微指令)的地址，其输入与微地址形成部件、微指令的地址，其输入与微地址形成部件、微指令的下地址字段以及外来的标志有关。的下地址字段以及外来的标志有关。微指令的基本格式微指令的基本格式 共分为两个字段，一个为操作控制字段，该字段发出共分为两个字段，一个为操作控制字段，该字段发出各种控制信号；另一个字段为顺序控制字段，它可指出下各种控制信号；另一个字段为顺序控制字段，它可指出下条微

14、指令的地址条微指令的地址(简称下地址简称下地址)，以控制微指令的执行顺序。，以控制微指令的执行顺序。3. 工作原理工作原理LDA XADD YSTA Z主存主存STP用户程序用户程序控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 LDA 操操作的微程序作的微程序对应对应 ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应 STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1(1) 取指阶段取指阶段M CMARCM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令形成下条微指令地址形成下条微指令地址Ad (CM

15、DR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令M + + 1M + + 2PC MAR1 RM ( MAR ) MDR( PC ) + + 1 PCMDR IR1 0 0 0 0 1M+ +1M0 1 0 0 1 0M+ +2M + + 1形成下条微指令地址形成下条微指令地址执行取指微程序执行取指微程序0 0 1 0 0 0 0M + + 2(2) 执行阶段执行阶段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) C

16、MDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令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执行执行 LDA 微程序微程序 形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P + + 1形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P + + 2形成下条微指令地址形成下条微指令地址 M( M CMAR )0 1 0 0 0P+ +2P + + 10 0 0 1

17、 0 0 1P+ +1P(3) 取指阶段取指阶段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令M CMAR PC MAR1 R全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中，程序执行过程中，程序执行过程中 只需读出只需读出关键关键 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 后续地址如何形成后续地址如何形成执行取指微程序执行取指微程序1 0 0 0 0 1M+ +1M三、微指令的编码方式（控制方式）三、微指令的编码方式（控制方式）1. 直接编码（直接控制）方式直接编码（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令

18、在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令下地址下地址控制信号控制信号操作控制操作控制其中，某位为其中，某位为 “1” 表示该控制信号有效表示该控制信号有效图图10.7 10.7 直接编码方式直接编码方式特点：特点：含义清晰，含义清晰，速度最快；因为机器中微操作命令太速度最快；因为机器中微操作命令太 多，造成控存容量大。多，造成控存容量大。2. 字段直接编码方式字段直接编码方式 将微指令的控制字段分成若干将微指令的控制字段分成若干 “段段”，将一组互斥，将一组互斥的微操作命令放在一个字段内，通过对这个字段译码，便的微操作命令放在一个字段内，通过对这个字段译码，便可对应每一个微命令。这种

19、方式因靠字段直接译码发出微可对应每一个微命令。这种方式因靠字段直接译码发出微命令，故又有显示编码之称。命令，故又有显示编码之称。译码译码译码译码译码译码下地址下地址操作控制操作控制控制信号控制信号特点：特点：缩短了微指令字长；增加了译码时间，微程缩短了微指令字长；增加了译码时间，微程 序执行速度较慢。序执行速度较慢。图图10.8 10.8 字段直接编码方式字段直接编码方式3. 字段间接编码方式字段间接编码方式字段字段 1字段字段 2译码译码译码译码译码译码操作控制操作控制控制信号控制信号字段字段 n 下地址下地址控制信号控制信号特点：特点：进一小缩短微指令字长，但因削弱了微指令的并行控制能进一

20、小缩短微指令字长，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编码法的一种辅助手段。力，因此通常用做字段直接编码法的一种辅助手段。图图10.9 10.9 字段间接编码方式字段间接编码方式 一个字段的某些微命令还需要由另一个字段中的某些一个字段的某些微命令还需要由另一个字段中的某些命令来解释。由于不是靠字段直接译码发出微命令，故称命令来解释。由于不是靠字段直接译码发出微命令，故称为字段间接编码，又称隐式编码。为字段间接编码，又称隐式编码。4. 混合编码混合编码 直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用，直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用，以便能综合考虑指令的字长、灵活性和执行微程序

21、的以便能综合考虑指令的字长、灵活性和执行微程序的速度等方面的要求。速度等方面的要求。5. 其他其他 微指令中可以设置常数字段，用来提供常数、计微指令中可以设置常数字段，用来提供常数、计数器初值等。常数字段还可以和某些解释位配合，如数器初值等。常数字段还可以和某些解释位配合，如解释位为解释位为0，表示该字段提供常数；解释位为，表示该字段提供常数；解释位为1，表示，表示该字段提供某种命令，使微指令更灵活。该字段提供某种命令，使微指令更灵活。四、微指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成1. 微指令的下地址字段指出微指令的下地址字段指出2. 根据机器指令的操作码形成根据机器指令的操作码形成3. 增

22、量计数器增量计数器4. 分支转移分支转移( CMAR ) + 1 CMAR 转移地址转移地址操作控制字段操作控制字段 转移方式转移方式 其中，转移方式指明判别条件，转移地址；指明其中，转移方式指明判别条件，转移地址；指明转移成功后的去向。转移成功后的去向。5. 通过测试网络通过测试网络6. 由硬件产生由硬件产生微程序入口地址微程序入口地址第一条微指令地址由专门硬件产生。第一条微指令地址由专门硬件产生。当电源加电后，第一条微指当电源加电后，第一条微指令的地址由专门硬件电路产生，也可以由外部直接向令的地址由专门硬件电路产生，也可以由外部直接向CMAR输入输入微指令的地址，这个地址即为取指周期微程序

23、的入口地址；中断微指令的地址，这个地址即为取指周期微程序的入口地址；中断周期、间址周期可由硬件产生中断周期微程序或间周期微程序的周期、间址周期可由硬件产生中断周期微程序或间周期微程序的首地址。首地址。非测试地址非测试地址 h测试地址测试地址 l测试网络测试网络测试源测试源微指令地址微指令地址CMDR操作控制操作控制顺序控制顺序控制HL图图10.10 10.10 通过测试网络形成微指令地址通过测试网络形成微指令地址7. 后续微指令地址形成方式原理图后续微指令地址形成方式原理图地址地址选择选择+ + 1CMAR地址译码地址译码下地址下地址转移方式转移方式CMDR控制存储器控制存储器控制信号控制信号

24、 分支分支 逻辑逻辑标志标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 多路选择多路选择图图10.11 10.11 后续微指令地址形成方式的原理图后续微指令地址形成方式的原理图五、微指令格式五、微指令格式1. 水平型微指令水平型微指令 如直接编码、字段编码（直接、间接）、直接和如直接编码、字段编码（直接、间接）、直接和字段混合编码都属于水平型微指令。其中，直接编码字段混合编码都属于水平型微指令。其中，直接编码速度最快，字段编码要经过译码，故速度受影响。速度最快，字段编码要经过译码，故速度受影响。2. 垂直型微指令垂直型微指令类似机器指令操作码的方式类似机器指令操作码的方式一次

25、能定义并执行多个并行操作一次能定义并执行多个并行操作 在微指令中，设置操作码字段，由微操作码字段规在微指令中，设置操作码字段，由微操作码字段规定微指令的功能。通常一条微指令有定微指令的功能。通常一条微指令有12个微命令，控个微命令，控制制12种操作。这种微指令不强调其并行控制功能。种操作。这种微指令不强调其并行控制功能。表表10.2 10.2 垂直型微指令示例垂直型微指令示例3. 两种微指令格式的比较两种微指令格式的比较(1) 水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强 ，效，效 率高，灵活性强；率高，灵活性强；(2) 水平型微指令执行一条机器指令所要的微

26、指令数目水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令数目 少，速度快；少，速度快；(3) 水平型微指令用较短的微程序结构换取较长的微指水平型微指令用较短的微程序结构换取较长的微指 令结构；垂直型微指令正相反，它以较长的微程序结令结构；垂直型微指令正相反，它以较长的微程序结 构换取较短的微指令结构；构换取较短的微指令结构；(4) 水平型微指令与机器指令差别大；水平型微指令与机器指令差别大；垂直型微指令与机垂直型微指令与机 器指令相似器指令相似。选择题选择题1 1、在微程序控制器中，机器指令与微指令的关、在微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是系是 。A.A.每一条机器指令由一条微指令来执行每一条机

27、器指令由一条微指令来执行B.B.每一条机器指令由若干条微指令组成的微程序来每一条机器指令由若干条微指令组成的微程序来解释执行解释执行C.C.若干条机器指令组成的程序可由一个微程序来若干条机器指令组成的程序可由一个微程序来执行执行2 2、微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何、微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令地址的问题，通常用的一确定下一条微指令地址的问题，通常用的一种方法是断定方式，其基本思想是种方法是断定方式，其基本思想是_。 A.A.用微程序计数器来产生后续微指令的地址用微程序计数器来产生后续微指令的地址 B.B.在指令中指定一个专门字段来产生后续微在指令中指定一个专

28、门字段来产生后续微指令地址指令地址 C.C.由设计者在微指令代码中指定，或者由设由设计者在微指令代码中指定，或者由设计者指定的判别测试字段控制产生后续指令计者指定的判别测试字段控制产生后续指令的地址的地址C CB B3 3、在微程序控制器中，控制部件向执行部件发出的、在微程序控制器中，控制部件向执行部件发出的某个控制信号称为某个控制信号称为 。 A.A.微指令微指令 B. B. 微操作微操作 C.C.微命令微命令4 4、机器指令（除转移指令外）代码中的地址字、机器指令（除转移指令外）代码中的地址字段用于段用于 ，微指令代码中的地址字段用于，微指令代码中的地址字段用于_。 A.A.确定执行顺序确

29、定执行顺序 B.B.存取地址存取地址 C.C.存取数存取数据据5.5.相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是_。 (2009(2009年考研题年考研题) )A A指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展容指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展容易易B B指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展难指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展难C C指令执行速度快，指令功能的修改和扩展容指令执行速度快，指令功能的修改和扩展容易易D D指令执行速度快，指令功能的修改和扩展难指令执行速度快，指令功能的修改和扩展难C CA AD DC C7 7、( (44题，题，13分分)某计算机字长某