计算机组成原理第10章

1、第第10章章 控制单元的设计控制单元的设计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 2. .节拍信号节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1 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

2、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 R10.1 1. 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 微操作的微操作的 先后顺序不得先后顺序不得 随意随意 更改更改原则二原则二 被控对象不同被控对象不同 的微操作的微操作 尽量安排在尽量安排在 一个节拍一个节拍 内完成内完成原则三原则三 占用占用 时间较短时间较短 的微操作的微操作 尽量尽量 安排在安排在 一个节拍一个节拍 内

3、完成内完成 并并允许有先后顺序允许有先后顺序10.12. 取指周期取指周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排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. 间址周期间址周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R10.14. 执行周期执行周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 AC

4、AC AC10.1 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 W10.1 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC10.15. 中断周期中断周期 微操作的微操作的 节

5、拍安排节拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件关中断硬件关中断向量地址向量地址 PC中断隐指令完成中断隐指令完成1 W10.1 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 微操作的微操作的 先后顺序不得先后顺序不得 随意随意 更改更改原则二原则二 被控对象不同被控对象不同 的微操作的微操作 尽量安排在尽量安排在 一个节拍一个节拍 内完成内完成原则三原则三 占用占用 时间较短时间较短 的微操作的微操作 尽量尽量 安排在安排在 一个节拍一个节拍 内完成内完成 并并允许有先后顺序允许有先后顺序10.1例例10.1 设设CPU中各部件及其相互连接关系中各部件及

6、其相互连接关系见图见图10.2。图中。图中W是写控制标志，是写控制标志，R是读控是读控制标志，制标志，R1和和R2是暂存器。是暂存器。1）假设要求在取指周期由）假设要求在取指周期由ALU完成（完成（PC)+1-PC 操作。要求以最少的节拍写出取指周期全部微操操作。要求以最少的节拍写出取指周期全部微操作命令及节拍安排。作命令及节拍安排。v首先按操作次序写出所有微操作：首先按操作次序写出所有微操作：vPC BUS MARv1 RvM(MAR) MDRvMDR BUS IRvOP(IR) 微操作命令形成部件微操作命令形成部件v(PC) BUS ALU（+1） R2vR2 BUS PCT0T0T1T1

7、T2T2T310.12）写出指令）写出指令ADD #(#为立即寻址特征，还有为立即寻址特征，还有一个操作数隐含在一个操作数隐含在ACC中）在执行阶段所需的中）在执行阶段所需的微操作命令及节拍安排。微操作命令及节拍安排。v按操作次序写出所有微操作：按操作次序写出所有微操作：vAD(IR) BUS R1v(ACC) + (R1) ALU R2vR2 BUS ACCT0T1T210.1三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤 组合逻辑设计控制单元时，首先根据上述组合逻辑设计控制单元时，首先根据上述10条指条指令微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时间表，令微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时间

8、表，然后再写出每一个微操作命令（控制信号）的逻辑表然后再写出每一个微操作命令（控制信号）的逻辑表达式，最后根据逻辑表达式画出相应的组合逻辑电路达式，最后根据逻辑表达式画出相应的组合逻辑电路图。图。1. 列出操作时间表列出操作时间表10.1T2T1T0 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 EXII间址特征间址特征取指周期微操作时间表取指周期微操作时间表10.1各指令对应取指周期操作时间表各指令对应

9、取指周期操作时间表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 EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1T2T1T0 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 EX

10、IND间址周期标志间址周期标志间址周期微操作时间表间址周期微操作时间表10.1T2T1T0 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各指令对应间址周期操作时间表各指令对应间址周期操作时间表10.1T2T1T0 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

11、AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W执行周期微操作时间表执行周期微操作时间表10.1T2T1T0 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) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W1111111111111各指令对应执行周期操作时间表各指令对应执行周期操作时间表10.12. 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 ( AD

12、D + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX T1 ( ADD +LDA )M ( MAR ) MDR= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 10.13. 画出逻辑图画出逻辑图特点特点 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）&10.110.2 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

13、授英国剑桥大学教授 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一条机器指令对应一个微程序存入存入 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

14、程序中断周期微程序10.22. 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控制形成下控制形成下一条位指令一条位指令地址。地址。10.2M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 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间址周期 微程序微程序中断周期中断周期

15、 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM转执行周期微程序转执行周期微程序转取指周期微程序转取指周期微程序10.23. 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+110.2(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

16、地址形成下条微指令地址Ad (CMDR ) 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 + + 210.2(2) 执行阶段执行阶段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CM

17、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

18、 0P+ +2P + + 10 0 0 1 0 0 1P+ +1P10.2(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+ +1M10.2三、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

19、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， 每一位代表一个微操作命令每一位代表一个微操作命令速度最快速度最快下地址下地址控制信号控制信号操作控制操作控制某位为某位为 “1” 表示该控制信号有效表示该控制信号有效控制字段位控制字段位数达几百位数达几百位10.22. 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”，每段经译码后发出控制信号每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是每个字段中的命令是 互斥互斥 的的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缩短缩短 了微指令了微指令 字长字长增加增加 了译码

20、了译码 时间时间微程序执行速度较慢微程序执行速度较慢显式编码显式编码要留出要留出1个状态表示不发微命令个状态表示不发微命令10.23. 字段间接编码方式字段间接编码方式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5. 其他其他字段字段 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隐式编码隐式编码某些命令的编码还需另一某些命令的编码还需另一个字段的某些微命令解释个字段的某些微命令解释设置常数字段，用来提供常数、计数器初值等设置常数字段，用来提供常数、计数器初值等采用类似机

21、器指令操作码的方式等采用类似机器指令操作码的方式等10.2例例10.4 某机的微指令格式中，共有某机的微指令格式中，共有8个控制字段，每个个控制字段，每个字段分别激活字段分别激活5、8、3、16、1、7、25、4种控制信号。种控制信号。分别采用直接编码和字段直接编码方式设计微指令的操分别采用直接编码和字段直接编码方式设计微指令的操作控制字段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。作控制字段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。v解：解：1）采用直接编码方式，操作控制字段总位数）采用直接编码方式，操作控制字段总位数等于控制信号数，即等于控制信号数，即5+8+3+16+1+7+25+4 = 69

22、v2）采用字段直接编码方式，考虑到每个控制字段）采用字段直接编码方式，考虑到每个控制字段至少要留一种状态表示没有任何操作，因此微指令至少要留一种状态表示没有任何操作，因此微指令的的8个控制字段分别需给出个控制字段分别需给出6、9、4、17、2、8、26、5种状态，对应种状态，对应3、4、2、5、1、3、5、3位，位，则总位数为：则总位数为：3+4+2+5+1+3+5+3=26四、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. 根据机器指令的根据机器指令的 操作码操作码 形成形成3. 增量计数器增量计数器4. 分支转移分支转移( CMAR

23、) + 1 CMAR 转移地址转移地址操作控制字段操作控制字段 转移方式转移方式转移方式转移方式 指明判别条件指明判别条件转移地址转移地址 指明转移成功后的去向指明转移成功后的去向10.25. 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第一条微指令地址 由专门由专门 硬件硬件 产生产生中断周期中断周期 由由 硬件硬件 产生产生 中断周期微程序首地址中断周期微程序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HL10.2间指周期间指周期 由由 硬件硬件

24、产生产生 间指周期微程序首地址间指周期微程序首地址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 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10.2五、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 直接编码、字段直接编码、字段间接编码、直接编码、字段直接编码、字段间接编码、 直接和字段混合编码直接和字段混合编码2. 垂直型微指令垂直型微指令类似机器指令操作码类似机器指令操作码 的方式

25、的方式一次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由微操作码字段规定微指令的功能由微操作码字段规定微指令的功能10.2一条微指令有一条微指令有12个微命令，控制个微命令，控制12操作操作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水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力强并行操作能力强 ， 灵活性强灵活性强(2) 水平型微指令执行一条机器指令所要的水平型微指令执行一条机器指令所要的 微指令微指令 数目少，速度快数目少，速度快(3) 水平型微指令水平型微指令 用较短的微程序结构换取较长的用较短的微程序结构换取较长的 微指令结构微指令结构(4) 水平

26、型微指令与机器指令水平型微指令与机器指令 差别大差别大10.2例例10.5 某微程序控制器中，采用水平型直接控制方式某微程序控制器中，采用水平型直接控制方式的微指令格式，后续微指令地址由微指令的下地址字段的微指令格式，后续微指令地址由微指令的下地址字段给出。已知机器共有给出。已知机器共有28个微命令，个微命令，6个个互斥互斥的可判定的的可判定的外部条件，控存器容量为外部条件，控存器容量为51240位。试设计其微指令位。试设计其微指令格式，并说明理由。格式，并说明理由。v解：根据题意后续微指令地址由微指令的下地址解：根据题意后续微指令地址由微指令的下地址字段给出，由控存容量可知下地址字段位数：字

27、段给出，由控存容量可知下地址字段位数：29=512 ，即下地址字段位数，即下地址字段位数9位位v有有6个互斥的可判定的外部条件，相应判断位：个互斥的可判定的外部条件，相应判断位：23 6， 即判断位即判断位3位；位；v采用水平型直接控制方式，采用水平型直接控制方式，28个微命令对应个微命令对应28位位操作控制位。操作控制位。操作控制操作控制（28位）位）判断判断（3位）位）下地址下地址（9位）位）10.6 某机共有某机共有52个微操作控制信号，构成个微操作控制信号，构成5个相斥类的个相斥类的微命令组，各组分别包含微命令组，各组分别包含5、8、2、15、22个微命令。个微命令。已知可判定的外部条

28、件有两个，微指令字长已知可判定的外部条件有两个，微指令字长28位。位。1）按水平型指令格式设计微指令，要求微指令的下地）按水平型指令格式设计微指令，要求微指令的下地址字段直接给出后续微指令地址。址字段直接给出后续微指令地址。2）指出控制存储器的容量。）指出控制存储器的容量。2个判个判定条件定条件22个个微命令微命令15个个微命令微命令2个个微命令微命令8个个微命令微命令5个个微命令微命令23状态状态16状态状态3状态状态9状态状态6状态状态8位位2位位5位位4位位2位位4位位3位位下地址下地址条件条件测试测试字段字段5字段字段4字段字段3字段字段2字段字段1控存容量：控存容量：25628六、静

29、态微程序设计和动态微程序设计六、静态微程序设计和动态微程序设计静态静态 微程序无须改变，采用微程序无须改变，采用 ROM动态动态 通过通过 改变微指令改变微指令 和和 微程序微程序 改变机器指令，改变机器指令， 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序设计七、毫微程序设计1. 毫微程序设计的基本概念毫微程序设计的基本概念微程序设计微程序设计 用用 微程序解释机器指令微程序解释机器指令毫微程序设计毫微程序设计 用用 毫微程序解释微程序毫微程序解释微程序毫微指令与微指令毫微指令与微指令 的关系好比的关系好比 微指令与机器指令微指令与机器指令 的关系的关系10.22.毫微程序控制存储

30、器的基本组成毫微程序控制存储器的基本组成 控制存储器控制存储器 （微程序）（微程序）CMAR1MOPOP转移地址转移地址垂直型垂直型微指令微指令IR+ + 1CMDR1CMAR2 控制存储器控制存储器（毫微程序）（毫微程序）水平型微指令水平型微指令控制信号控制信号CMDR210.2八、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 条微指令条微指令执行第执行第 i 条微指令条微指令取第取第 i 条微指令条微指令执行第执行第 i+1 条微指令条微指令执行第执行第 i 条微指令条微指令取第取第 i 条微指令条微指令取第取第 i+1 条微指令条微指令 执行第执行第

31、i+1 条微指令条微指令取第取第 i+2 条微指令条微指令 执行第执行第 i+2 条微指令条微指令串行串行 微程序控制微程序控制并行并行 微程序控制微程序控制10.2还需考虑还需考虑 如何读出如何读出 这这 3 条微指令条微指令 ?1. 写出对应机器指令的微操作及节拍安排写出对应机器指令的微操作及节拍安排假设假设 CPU 结构与组合逻辑相同结构与组合逻辑相同(1) 取指阶段微操作分析取指阶段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件九、微程序设计举例九、微程序设计举例1 R若一个若一个 T

32、内安排一条微指令内安排一条微指令则取指操作需则取指操作需 3 条微指令条微指令3 条微指令条微指令Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR10.2(2) 取指阶段的微操作及节拍安排取指阶段的微操作及节拍安排考虑到需要考虑到需要 形成后续微指令的地址形成后续微指令的地址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 )微地址形成部件微地址形成部件10.2(3) 执行阶段的微操

33、作及节拍安排执行阶段的微操作及节拍安排考虑到需形成后续微指令的地址考虑到需形成后续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 非访存指令非访存指令 CLA 指令指令T0T1 COM 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR )AC010.2 CSL 指令指令T0T1 STP 指令指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR )1

34、0.2 访存指令访存指令 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 )CMAR1W10.2 LDA 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R10.2全部微操作全部微操作 20个个微指令微指令 38条条 转移类指令转移类指令 JMP 指令指令T0T1Ad ( IR)PCAd ( CMDR )CM