控制单元的设计

控制单元的设计第1页，共71页，2023年，2月20日，星期五10.1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CUT0T1Tn…CLK（机器主频）…标志012n-1…C0C1Cn操作码译码n

位操作码节拍发生器第2页，共71页，2023年，2月20日，星期五

2.节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3第3页，共71页，2023年，2月20日，星期五

二、微操作的节拍安排假设采用同步控制方式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）PCIRACCU时钟ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制信号

MDR

MAR第4页，共71页，2023年，2月20日，星期五

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第5页，共71页，2023年，2月20日，星期五2.取指周期

微操作的节拍安排PCMARM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC原则二原则二原则三3.间址周期微操作的节拍安排M(MAR)MDRMDRAd(IR)T0T1T2T0T1T21ROP(IR)IDAd(IR)MAR1R第6页，共71页，2023年，2月20日，星期五4.执行周期微操作的节拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)

R(AC)0ACACAC第7页，共71页，2023年，2月20日，星期五④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)

L(AC)AC0ACnT0T1T20

GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MARACMDRMDRM(MAR)1R1W第8页，共71页，2023年，2月20日，星期五⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0•Ad(IR)+A0•

PCPC第9页，共71页，2023年，2月20日，星期五5.中断周期微操作的节拍安排T0T1T20MARPCMDRMDRM(MAR)硬件关中断向量地址PC中断隐指令完成1W第10页，共71页，2023年，2月20日，星期五例10.1

设CPU中各部件及其相互连接关系如图10.1所示。图中W是写控制标志，R是读控制标志，R1和R2是暂存器。第11页，共71页，2023年，2月20日，星期五（1）假设要求在取指周期由ALU完成(PC)+1→PC的操作（即ALU可以对它的一个源操作数完成加1的运算）。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。（2）写出指令“ADD#α”（#为立即寻址特征，隐含的操作数在ACC中）在执行阶段所需的微操作命令及节拍安排。第12页，共71页，2023年，2月20日，星期五解:（1）由于(PC)+1→PC需由ALU完成，因此PC的值可作为ALU的一个源操作数，靠控制ALU做＋1运算得到(PC)+1，结果送至与ALU输出端相连的R2，然后再送至PC。

此题的关键是要考虑总线冲突的问题，故取指周期的微操作命令及节拍安排如下：

T0PC→Bus→MAR，1→R

；PC通过总线送MAR

T1M(MAR)→MDR，

(PC)→Bus→ALU+1→R2

；PC通过总线送ALU完成(PC)+1→R2

T2MDR→Bus→IR，

；MDR通过总线送IR

OP(IR)→微操作命令形成部件

T3R2→Bus→PC

；R2通过总线送PC

第13页，共71页，2023年，2月20日，星期五（2）立即寻址的加法指令执行周期的微操作命令及节拍安排如下：T0Ad(IR)→Bus→R1

；立即数→R1T1(ACC)+(R1)→ALU→R2

；ACC通过总线送ALUT2R2→Bus→ACC

；结果通过总线送ACC

第14页，共71页，2023年，2月20日，星期五

例10.2

设CPU内部结构如图10.1所示，且PC有自动加1功能。此外还有B、C、D、E、H、L六个寄存器（图中未画），它们各自的输入端和输出端都与内部总线Bus相连，并分别受控制信号控制。要求写出完成下列指令组合逻辑控制单元所发出的微操作命令及节拍安排。（1）ADDB，C；(B)＋(C)→B

（2）SUBE，@H；(E)－((H))→E寄存器间接寻址（3）STA@mem；ACC→((mem))

存储器间接寻址第15页，共71页，2023年，2月20日，星期五（1）完成“ADDB，C”指令所需的微操作命令及节拍安排取指周期

T0PC→Bus→MAR，1→R

T1M(MAR)→MDR，(PC)+1→PC

T2MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件

执行周期

T0C→Bus→R1T1(B)+(R1)→ALU→R2；B通过总线送ALU

T2R2→Bus→B第16页，共71页，2023年，2月20日，星期五（2）完成“SUBE，@H”指令所需的微操作命令及节拍安排取指周期

T0PC→Bus→MAR，1→RT1M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件

间址周期

T0H→Bus→MAR，1→RT1M(MAR)→MDR

执行周期

T0MDR→Bus→R1T1(E)－(R1)→ALU→R2；E通过总线送ALU

T2R2→Bus→E第17页，共71页，2023年，2月20日，星期五（3）完成“STA@mem”指令所需的微操作命令及节拍安排

取指周期

T0PC→Bus→MAR，1→RT1M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件

间址周期

T0Ad(IR)→Bus→MAR，1→RT1M(MAR)→MDR

执行周期

T0MDR→Bus→MAR，1→WT1ACC→Bus→MDRT2MDR→M(MAR)第18页，共71页，2023年，2月20日，星期五例10.3

设寄存器均为16位，实现补码Booth算法的运算器框图图10.2所示。其中寄存器A、X最高2位A0、A1和X0、X1为符号位，寄存器Q0最高位Q0为符号位，最末位Q15为附加位。假设上条指令的运行结果存于A（即为被乘数）中。（1）若CU为组合逻辑控制，且采用中央和局部控制相结合的办法，写出完成“MULα”（α为主存地址）指令的全部微操作命令及节拍安排。（2）指出哪些节拍属于中央控制节拍，哪些节拍属于局部控制节拍，局部控制最多需几拍?第19页，共71页，2023年，2月20日，星期五0An+1n+2位加法器控制门0Xn+10Qn

n+1移位和加控制逻辑计数器CGM00,110110右移第20页，共71页，2023年，2月20日，星期五（1）取指阶段

T0PC→MAR，1→RT1M(MAR)→MDR，(PC)+1→PCT2MDR→IR，OP(IR)→ID第21页，共71页，2023年，2月20日，星期五执行阶段乘法开始前要将被乘数由A→X，并将乘数从主存α单元取出送至Q寄存器。因Q15（最末位）为附加位，还必须0→Q15，并将A清0。上述这些操作可安排在中央控制节拍内完成。乘法过程的重复加操作受Q寄存器末两位Q14、Q15控制，重复移位操作在两个串接的寄存器A//Q中完成，这两种操作可安排在局部控制节拍内完成。具体安排如下：

T0Ad(IR)→MAR，1→R，A→X

T1M(MAR)→MDR，0→Q15，0→A

T2MDR→Q0～14

（Q寄存器仅取一位符号位）

T0*

Q14Q15(A+X)+Q14Q15

（A+X+1)+Q14Q15A+Q14Q15A→A

T1*L(A//Q)→R(A//Q)（A//Q算术右移一位）

第22页，共71页，2023年，2月20日，星期五（2）中央控制节拍包括取指阶段所有节拍和执行阶段的T0、T1、T23个节拍，完成取指令和取操作数及乘法运算前的准备工作。局部控制节拍是执行阶段的T0*和T1*节拍，其中T0*为重复加操作，受Q寄存器末两位Q14Q15控制，最多执行15次；T1*为移位操作，共执行14次。第23页，共71页，2023年，2月20日，星期五T2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、组合逻辑设计步骤1.列出操作时间表第24页，共71页，2023年，2月20日，星期五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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111第25页，共71页，2023年，2月20日，星期五T2T1T0EX执行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W1111111111111第26页，共71页，2023年，2月20日，星期五2.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(MAR)MDR=T1{FE+

IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)}第27页，共71页，2023年，2月20日，星期五3.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）&&第28页，共71页，2023年，2月20日，星期五CU采用组合逻辑设计，因微操作控制信号全部由硬件产生，所以速度快，可用于构成高速的RISC机和巨型机。它的缺点：（1）逻辑实现复杂（2）不易扩展和修改。采用微程序设计方法可克服上述缺点。它是利用程序设计及存储逻辑的概念，称为微程序设计技术。它解决了设计的规整性问题，它将不规则的微操作命令变成了有规律的微程序，使控制单元的设计更科学合理。存储逻辑又解决了不可修改问题，简化了控制器的设计任务，即不易出错成本又较低；缺点是操作速度比较低。10.2微程序设计第29页，共71页，2023年，2月20日，星期五一、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…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30页，共71页，2023年，2月20日，星期五1、微程序控制概念一条指令的处理包含许多微操作序列这些操作可以归结为信息传递、运算将这些操作所需要的控制信号以多条微指令表示执行一条微指令就给出一组微操作控制信号执行一条指令也就是执行一段由多条微指令组成的微程序二、微程序控制单元框图及工作原理第31页，共71页，2023年，2月20日，星期五程序微指令微程序第32页，共71页，2023年，2月20日，星期五微程序控制器——基本概念程序机器指令1机器指令2机器指令i机器指令n……..………微指令2微指令1微指令i微指令n……..……..微程序第33页，共71页，2023年，2月20日，星期五2.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第34页，共71页，2023年，2月20日，星期五3.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指令基本格式第35页，共71页，2023年，2月20日，星期五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…×××第36页，共71页，2023年，2月20日，星期五4.工作原理LDAXADDYSTAZ主存STP用户程序控存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+1M+2P+1P+2M………对应STA操作的微程序K+1K+2MKK+2K+1×××第37页，共71页，2023年，2月20日，星期五(1)取指周期

①将取指周期微程序首地址M→CMAR; ②取第一条微指令，CM(CMAR)→CMDR;

③产生微操作命令，PC

→MAR,1→R;

④形成下一条微指令地址，M+1→CMAR;

⑤取第二条微指令，CM(CMAR)→CMDR;

⑥产生微操作命令,M(MAR)

→MDR,(PC)+1→PC; ⑦形成下一条微指令地址，M+2→CMAR;如此进行下去，至到取出最后一条微指令并发出微操作命令,此时，LDAX指令取至IR。…第38页，共71页，2023年，2月20日，星期五

(2)执行周期

①形成LDAX指令微程序首地址P→CMAR; ②取第一条微指令，CM(CMAR)→CMDR;

③产生微操作命令，Ad(IR)→MAR,1→R;

④形成下一条微指令地址，P+1→CMAR;

⑤取第二条微指令，CM(CMAR)→CMDR;

⑥产生微操作命令，M(MAR)→MDR; ⑦形成下一条微指令地址，P+2→CMAR;

如此进行下去，至到取出最后一条微指令并发出微操作命令,此时，LDAX指令执行结束。…

如此循环取指周期和执行周期，至到执行完STP指令，此程序运行结束。第39页，共71页，2023年，2月20日，星期五

三、微命令的编码方式

主要解决微指令的操作控制字段的格式安排，常用的方法主要有三种。

1.直接编码方式

思想：微操作控制字段的每一位表示一个微命令，0表示无效，1表示有效。

示意图：

特点：简单直观，速度快，但微指令字长较长，适用于结构较简单的机器。顺序控制字段…微操作控制信号第40页，共71页，2023年，2月20日，星期五思想：将微操作控制字段分为若干小字段，把一组互斥微命令组织在一起，用一个小字段编码表示，将相容的微命令安排在不同字段内。在某一时刻，每个字段通过译码产生一条微命令，不同字段可以发出多条微命令。能有效压缩微指令的长度，但由于译码稍影响速度注意：为每个字段分配编码时，应考虑无操作的情况，即n位通常仅能安排2n-1个微命令。2.字段直接编码方式

微操作（微命令）间的关系：相容和互斥。相容：能同时（并行）执行的微操作；

互斥：不能同时执行的微操作。

第41页，共71页，2023年，2月20日，星期五译码…译码…译码…下地址操作控制控制信号第42页，共71页，2023年，2月20日，星期五3.字段间接编码方式…字段1…字段2译码译码译码…操作控制控制信号…字段n下地址……控制信号隐式编码这种方式一个字段的某些微命令还需要由另个一个字段中的某些微命令来解释，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。第43页，共71页，2023年，2月20日，星期五4.混合编码方式

当分段直接编码方式中某些小字段的位数少到只有一位时，就可认为是直接编码方式和字段直接编码方式的混合编码方式。特点：可改善分段直接编码方式的灵活性和执行速度。第44页，共71页，2023年，2月20日，星期五

例10.4

某机的微指令格式中，共有8个控制字段，每个字段可分别激活5、8、3、16、1、7、25、4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作控制字段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。第45页，共71页，2023年，2月20日，星期五

解：（1）采用直接编码方式，微指令的操作控制字段的总位数等于控制信号数。即

5+8+3+16+1+7+25+4=69

（2）采用字段直接编码方式，需要的控制位少。根据题目给出的10个控制字段及各段可激活的控制信号数，再加上每个控制字段至少要留一个码字表示不激活任何一条控制线，即微指令的8个控制字段分别需给出6、9、4、17、2、8、26、5种状态，对应3、4、2、5、1、3、5、3位。故微指令的操作控制字段的总位数为：

3+4+2+5+1+3+5+3=26

第46页，共71页，2023年，2月20日，星期五四、微指令序列地址的形成1.直接由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)+1CMAR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第47页，共71页，2023年，2月20日，星期五5.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……测试源微指令地址CMDR操作控制顺序控制HL第48页，共71页，2023年，2月20日，星期五7.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OPIR

微地址

形成部件

多路选择第49页，共71页，2023年，2月20日，星期五⑴水平型微指令：一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。基本特征：微指令字较长一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。微命令的编码简单，尽可能使微命令与控制门之间具有直接对应关系。格式如下：控制字段判别测试字段下地址字段五、微指令格式第50页，共71页，2023年，2月20日，星期五⑵垂直型微指令：在微指令中设置微操作码字段，采用为操作码编译法，由操作码规定为微指令的功能，在一条微指令中只有一、两个微操作命令称为垂直型微指令。基本特征：微指令字短。微指令的并行操作能力有限，一条微指令只能控制数据通路中的一、两个信息传送。微指令编码比较复杂，全部微命令组成一个微操作码字段，经过完全译码，微指令的各个二进制位与数据通路的各个控制点之间完全不存在直接对应关系。第51页，共71页，2023年，2月20日，星期五000原寄存器目的寄存器其他001左输入源编址右输入源编址ALU010寄存器编址存储器编址读写其他011测试条件寄存器数据传送型运算控制型访问主存型条件转移型第52页，共71页，2023年，2月20日，星期五（3）水平型与垂直型微指令比较水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强水平型微指令执行一条指令的时间短由水平型微指令指令的微程序，有微指令字较长，微程序短，垂直型号字长短，微程序长。水平型不便于用户掌握，垂直型与指令相似，易于掌握。第53页，共71页，2023年，2月20日，星期五例10.5

某微程序控制器中，采用水平型直接控制（编码）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给出。已知机器共有28个微命令，6个互斥的可判定的外部条件，控制存储器的容量为512×40位。试设计其微指令格式，并说明理由。第54页，共71页，2023年，2月20日，星期五

解：水平型微指令由操作控制字段，判别测试字段和下地址字段三部分构成。因为微指令采用直接控制（编码）方式，所以其操作控制字段的位数等于微命令数，为28位。又由于后续微指令地址由下地址字段给出，故其下地址字段的位数可根据控制存储器的容量（512×40位）定为9位。当微程序出现分支时，后续微指令地址的形成取决于状态条件，6个互斥的可判定外部条件，可以编码成3位状态位。非分支时的后续微指令地址由微指令的下地址字段直接给出。第55页，共71页，2023年，2月20日，星期五

例10.6

某机共有52个微操作控制信号，构成5个相斥类的微命令组，各组分别包含5、8、2、15、22个微命令。已知可判定的外部条件有两个，微指令字长28位。（1）按水平型微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。（2）指出控制存储器的容量。第56页，共71页，2023年，2月20日，星期五（1）根据5个相斥类的微命令组，各组分别包含5、8、2、15、22个微命令，考虑到每组必须增加一种不发命令的情况，条件测试字段应包含一种不转移的情况，则5个控制字段分别需给出6、9、3、16、23种状态，对应3、4、2、4、5位（共18位），条件测试字段取2位。根据微指令字长为28位，则下地址字段取28－18－2=8位，其微指令格式如图（2）根据下地址字段为8位，微指令字长为28位，得控制存储器的容量为256×28位。第57页，共71页，2023年，2月20日，星期五六、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微指令

的关系好比微指令与机器指令

的关系第58页，共71页，2023年，2月20日，星期五2.

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CMDR2第59页，共71页，2023年，2月20日，星期五八、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+2

条微指令串行

微程序控制并行

微程序控制第60页，共71页，2023年，2月20日，星期五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T0T1T2PCMARM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)

微地址形成部件九、微程序设计举例1R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

CMAR第61页，共71页，2023年，2月20日，星期五(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)IRMDRCMAROP(IR)微地址形成部件第62页，共71页，2023年，2月20日，星期五(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①CLA指令T0T1②COM指令T0T1Ad(CMDR)CMARACACCMARAd(CMDR)AC0第63页，共71页，2023年，2月20日，星期五④CSL指令T0T1⑤STP指令T1Ad(CMDR)CMARAC0ACnT0CMARAd(CMDR)G0L(AC)R(AC)③SHR指令T0T1AC0AC0R(AC)L(AC)CMARAd(CMDR)第64页，共71页，2023年，2月20日，星期五•访存指令⑥ADD指令T0T1T2T3T4T5Ad(IR)MARAd(CMDR)CMARM(MAR)MDRAd(CMDR)CMAR(AC)+(MDR)ACAd(CMDR)CMAR1R⑦STA指令T0T1T2T3