控制单元的设计

1、控制单元的设计第1页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三10.1 组合逻辑设计一、组合逻辑控制单元框图1. CU 外特性IR节拍发生器CUT0T1TnCLK（机器主频）标志012n-1C0C1Cn操作码译码n 位操作码第2页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 2.节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.1第3页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 二、微操作的节拍安排采用 同步控制方式CPU 内部结构采用非总线方式一个 机器周期 内有 3 个节拍（时钟周期）10.1PCIRACCU时钟A

2、LUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制信号 M D R M A R第4页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 1. 安排微操作时序的原则原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作 尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 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10.1第5页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2. 取指周期 微操作的 节拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原则二原则二原则三3. 间址周期 微操作的

3、节拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R10.1第6页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三4. 执行周期 微操作的 节拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC10.1第7页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR

4、) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W10.1第8页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC10.1第9页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三5. 中断周期 微操作的 节拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件关

5、中断向量地址 PC中断隐指令完成1 W10.1第10页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0 FE取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII10.1间址特征第11页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0 IND 间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad (IR)

6、MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND10.1间址周期标志第12页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三T2T1T0 EX执行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表1 W10.1第13页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0 FE取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操

7、作命令信号状态条件节拍工作周期标记PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII111111111111111111111111111111111111111111111110.1第14页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0 IND 间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND1111111111111111111110.1第15页，

8、共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0 EX执行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W111111111111110.1第16页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2. 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 (

9、MAR ) MDR= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 10.1第17页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三3. 画出逻辑图特点 思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难 速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&10.1第18页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三10.2 微程序设计一、微程序设计思想的产生1951 英国剑桥大学教授 Wilkes 完成一条机器指令微操作命令 1微操作命令 2微操作命令 n

10、微指令 110100000微指令 n微程序00010010存储逻辑一条机器指令对应一个微程序存入 ROM第19页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三二、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M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序对应 LDA 操作的微程序对应 STA 操作的微程序间址周期微程序中断周期微程序10.2第20页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2. 微程序控制单元的基本框图 微地址 形成部件顺序逻辑CMAR地址译码控制存储器标志CLK下地址CMDR至 CPU 内部和系统总线的控制信号 OPIR顺序控制操作控制微

11、指令基本格式10.2第21页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三二、微程序控制单元框图及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期 微程序对应 LDA 操作的微程序对应 STA 操作的微程序间址周期 微程序中断周期 微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM转执行周期微程序转取指周期微程序10.2第22页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三3. 工作原理LDA XADD YSTA Z主存STP用户程序10.2控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期 微程序对应 LDA 操作的微程序对应 ADD 操作的微程序Q+1Q+2MM+

12、1M+2P+1P+2M对应 STA 操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1第23页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三3. 工作原理(1) 取指阶段M CMARCM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令形成下条微指令地址Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 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执

13、行取指微程序10.20 0 1 0 0 0 0M + 2第24页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三(2) 执行阶段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令OP ( IR ) 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 LDA 微程序 形成下条微指令地址 P

14、+ 1形成下条微指令地址 P + 2形成下条微指令地址 M( M CMAR )0 1 0 0 0P+2P + 10 0 0 1 0 0 1P+1P10.2第25页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三(3) 取指阶段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令M CMAR PC MAR1 R全部微指令存在 CM 中，程序执行过程中 只需读出关键 微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令 微指令的 后续地址如何形成执行取指微程序10.21 0 0 0 0 1M+1M第26页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三三、微指令的编码方式（控制方式）1. 直接编码

15、（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速度最快下地址控制信号操作控制某位为 “1” 表示该控制信号有效10.2第27页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2. 字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干 “段”，每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是 互斥 的译码译码译码下地址操作控制控制信号缩短 了微指令 字长，增加 了译码 时间微程序执行速度较慢10.2显式编码第28页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三3. 字段间接编码方式4. 混合编码直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用5. 其他字段 1字段 2译码译码译码操

16、作控制控制信号字段 n下地址控制信号10.2隐式编码第29页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三四、微指令序列地址的形成1. 微指令的 下地址字段 指出2. 根据机器指令的 操作码 形成3. 增量计数器4. 分支转移( CMAR ) + 1 CMAR 转移地址操作控制字段 转移方式转移方式 指明判别条件转移地址 指明转移成功后的去向10.2第30页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三5. 通过测试网络6. 由硬件产生微程序入口地址第一条微指令地址 由专门 硬件 产生中断周期 由 硬件 产生 中断周期微程序首地址非测试地址 h测试地址 l测试网络测试源微指令地

17、址CMDR操作控制顺序控制HL10.2第31页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三7. 后续微指令地址形成方式原理图地址选择+ 1CMAR地址译码下地址转移方式CMDR控制存储器控制信号 分支 逻辑标志微程序入口10.2OPIR 微地址 形成部件 多路选择第32页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三五、微指令格式1. 水平型微指令如 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2. 垂直型微指令类似机器指令操作码 的方式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10.2第33页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期

18、三3. 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 ， 灵活性强(2) 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(3) 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(4) 水平型微指令与机器指令 差别大10.2第34页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三六、静态微程序设计和动态微程序设计静态 微程序无须改变，采用 ROM动态 通过 改变微指令 和 微程序 改变机器指令， 有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序设计1. 毫微程序设计的基本概念微程序设计 用 微程序解释机器指令毫微程序设计 用 毫微程序解释微程序毫微指令与

19、微指令 的关系好比 微指令与机器指令 的关系10.2第35页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2.毫微程序控制存储器的基本组成 控制存储器 （微程序）CMAR1MOPOP转移地址垂直型微指令IR+ 1CMDR1CMAR2 控制存储器（毫微程序）水平型微指令控制信号CMDR210.2第36页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三八、串行微程序控制和并行微程序控制取第 i+1 条微指令执行第 i 条微指令取第 i 条微指令执行第 i+1 条微指令执行第 i 条微指令取第 i 条微指令取第 i+1 条微指令执行第 i+1 条微指令取第 i+2 条微指令执行第 i+

20、2 条微指令串行 微程序控制并行 微程序控制10.2第37页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三还需考虑 如何读出 这 3 条微指令 ?1. 写出对应机器指令的微操作及节拍安排假设 CPU 结构与组合逻辑相同(1) 取指阶段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件九、微程序设计举例1 R若一个 T 内安排一条微指令则取指操作需 3 条微指令3 条微指令Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR10.2第38页，共48页，2022年，5月20日，15点6

21、分，星期三(2) 取指阶段的微操作及节拍安排考虑到需要 形成后续微指令的地址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页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三(3) 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取指微程序的入口地址 M由微指令下地址字段指出 非访存指令 CLA 指令T0T1 COM 指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR

22、)AC010.2第40页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 CSL 指令T0T1 STP 指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR )10.2第41页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 访存指令 ADD 指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMAR( AC ) + ( MDR )ACAd ( C

23、MDR )CMAR1R STA 指令T0T1T2T3T4T5Ad (IR)MARAd ( CMDR )CMARACMDRAd ( CMDR )CMARMDRM (MAR)Ad ( CMDR )CMAR1W10.2第42页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三 LDA 指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMARMDRACAd ( CMDR )CMAR1R10.2第43页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三全部微操作 20个微指令 38条 转移类指令 JMP 指令T0T1Ad ( IR)PCAd ( CMDR )CMAR BAN 指令T0T1Ad ( CMDR )CMARA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC )PC10.2第44页，共48页，2022年，5月20日，15点6分，星期三2. 确定微指令格式(1) 微指令的编码方式(2) 后续微指令的地址形成方式采用直接控制由机器指令的操作码通过微地址形成