第10章 控制单元设计

第10章控制单元设计10.1组合逻辑设计10.2微程序设计*重点

1.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*难点

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，编出微指令的码点是本章的难点。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

位操作码图10.1带译码和节拍输入的控制单元框图发至CPU内部及系统总线的控制信号…

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）PCIRACCU时钟ALU………C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制信号

MDR

MAR图9.31.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。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)MAR1R4.执行周期微操作的节拍安排①CLA②COM

③SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0AC0L(AC)R(AC)，0ACACAC④CSL⑤STP⑥ADDX⑦STAXR(AC)L(AC)，AC0

ACnT0T1T20GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDR(AC)+(MDR)ACAd(IR)MAR，ACMDRMDRM(MAR)1R1W⑧LDAX⑨JMPX⑩BANXT0T1T2Ad(IR)MAR，M(MAR)MDRMDRACT0T1T2T0T1T2Ad(IR)PC1RA0•Ad(IR)+A0•

PCPC5.中断周期微操作的节拍安排T0T1T20MAR，PCMDRMDRM(MAR)，硬件关中断向量地址PC1W三、组合逻辑设计步骤1.列出微操作命令的操作时间表T2T1T0

FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII间址特征表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND间址周期标志表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)

ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W表10.1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PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIROP(IR)ID1IND1EXII1111111111111111111111111111111111111111111111表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRMDRAd(IR)1EXIND11111111111111111111表10.1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)MAR1RM(MAR)MDRACMDR(AC)+(MDR)ACMDRM(MAR)MDRAC0AC1W1111111111111表10.1操作时间表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)}例如，根据表10.1可写出微操作命令逻辑表达式：M(MAR)MDR3.画出微操作命令的逻辑图特点

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）&&图10.3产生M(MAR)→MDR命令的逻辑图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M.V.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…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指令基本格式图10.5微程序控制单元的基本组成和微指令的基本格式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。CMDR

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)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。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，它可指出下条微指令的地址(简称下地址)，以控制微指令的执行顺序。3.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×××(1)取指阶段MCMARCM(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+2PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR100001M+1M…010010M+2M+1…形成下条微指令地址执行取指微程序0010000M+2…×××(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(PCMAR)Ad(CMDR)CMARAd(IR)MAR1RM(MAR)MDRMDRAC00000010P+2

…M执行LDA微程序形成下条微指令地址P+1形成下条微指令地址P+2形成下条微指令地址M(MCMAR)01000P+2P+1…0001001P+1P…(3)取指阶段CM(CMAR)CMDR由CMDR发命令MCMARPCMAR1R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…100

001M+1M…三、微指令的编码方式（控制方式）1.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下地址…控制信号操作控制其中，某位为“1”表示该控制信号有效图10.7直接编码方式特点：含义清晰，速度最快；因为机器中微操作命令太多，造成控存容量大。2.字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干“段”，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。译码…译码…译码…下地址操作控制控制信号特点：缩短了微指令字长；增加了译码时间，微程序执行速度较慢。图10.8字段直接编码方式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力，因此通常用做字段直接编码法的一种辅助手段。图10.9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。4.混合编码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的速度等方面的要求。5.其他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，如解释位为0，表示该字段提供常数；解释位为1，表示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)+1CMAR转移地址操作控制字段

转移方式其中，转移方式指明判别条件，转移地址；指明转移成功后的去向。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。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CMAR输入微指令的地址，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图10.10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

多路选择图10.11后续微指令地址形成方式的原理图五、微指令格式1.水平型微指令如直接编码、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1~2个微命令，控制1~2种操作。这种微指令不强调其并行控制功能。表10.2垂直型微指令示例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，效率高，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；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；(4)

水平型微指令与机器指令差别大；垂直型微指令与机器指令相似。选择题1、在微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是

。A.每一条机器指令由一条微指令来执行B.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C.若干条机器指令组成的程序可由一个微程序来执行2、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，通常用的一种方法是断定方式，其基本思想是_____。

A.用微程序计数器来产生后续微指令的地址

B.在指令中指定一个专门字段来产生后续微指令地址

C.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的地址CB3、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

。

A.微指令B.微操作C.微命令4、机器指令（除转移指令外）代码中的地址字段用于

，微指令代码中的地址字段用于______。

A.确定执行顺序B.存取地址C.存取数据5.相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是_____。

(2009年考研题)A．指令执行速度慢，指令功能的修