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1、第十章 控制单元设计,张向东 计算机科学与技术系,10.1 硬布线控制器(组合逻辑控制器),组合逻辑线路,指令 译码 器,节拍电位/脉冲发生器,微操作控制信号,结果反馈信息,启动/停止 时钟/复位,逻辑网络N的输出信号就是微操作控制信号，它用来对执行部件进行控制。,来自执行部件的反馈信息Bj,来自指令操作码（OP）译码器的输出Im；,来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号M和节拍脉冲信号T,10.1.1 硬布线控制器基本原理,微操作控制信号的函数表达式： C=(ImMiTkBj) 例：读主存信号C3 - (RD) 取指令在M1被激活 或LDA ADD AND M3 C3=M1+M3（LDA
2、+ADD+AND） C3=T2M1+T1M3（LDA+ADD+AND）,硬布线控制器基本原理,微操作控制信号的函数表达式：,10.1.2 设计过程,1、列出所有机器指令的流程图； 2、确定指令周期的组成 3、安排微操作的节拍，并建立指令系统的微操作清单 4、列出指令的微操作序列表 5、写出各微操作控制信号的布尔表达式； 化简各表达式； 6、利用电路或门阵列实现。,1、 实例机的指令系统,组合逻辑控制器设计与实现,2、 指令周期的组成,CLK,T0,T1,T2,T3,3.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）,控制信号,
3、(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,(2). 取指周期 微操作的 节拍安排,原则二,原则二,原则三,(3). 间址周期 微操作的 节拍安排,T0,T1,T2,T0,T1,T2,原则二,原则一,(4). 执行周期 微操作的 节拍安排, CLA, COM, SHR,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2, CSL, STP, ADD X, STA X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T
4、2,T0,T1,T2, LDA X, JMP X, BAN X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,(5). 中断周期 微操作的 节拍安排,T0,T1,T2,硬件关中断,中断隐指令完成,组合逻辑设计步骤,4、列出操作时间表,组合逻辑设计步骤,列出操作时间表,T2,IND 间址,组合逻辑设计步骤,列出操作时间表,5、 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 ),= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) +
5、EX ( ADD +LDA ) ,7、 画出逻辑图,庞杂 调试困难 修改困难,速度快,（RISC）,特点,思路清晰 简单明了,101.3 硬布线控制器特点,组成的网络复杂； 无规则； 设计和调试困难； 不可改变指令系统和指令功能 适用于VLSI 速度快,1.假设 CPU 在中断周期用堆栈保存程序断点，且进栈时栈指针减一，出栈时栈指针加一。试写出中断返回指令（中断服务程序的最后一条指令），在取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排。,答： 组合逻辑设计的微操作命令： 取指： T0：PC MAR T1：MMAR MDR, PC+1 PC T2：MDR IR, OPIR 微操作形成部件 执行
6、： T0：SP MAR T1：MMAR MDR T2：MDR PC, SP+1 SP,课堂练习与思考：,2.写出组合逻辑控制器完成 STA X （ X 为主存地址）指令发出的全部微操作命令及节拍安排；,课堂练习与思考：,3数M在A寄存器中，数N在内存某单元内，请写出实现F=2M-N，并将结果保存在A寄存器的微操作序列，并加以注解（设加法器ADDER的两个输入来自A、B寄存器）。,答案：实现该功能的微操作序列如下： （1）P0：A2A； 2M送A寄存器 （2）P1：BMBR； 取N送B寄存器 （3）P2：ADDER非B，CIN1； 非N+1送加法器 P3：ADDERA，ADD；2M送加法器 （4
7、）P4：AADDER； 2MN送A寄存器,课堂练习与思考：,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,10.2.1 微程序设计思想的产生,1951 英国剑桥大学教授 Wilke
8、s,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,10100000,微指令 n,00010010,存储逻辑,一条机器指令对应一个微程序,存入 ROM,微程序的基本思想 假设一条指令OnTv ：开电视机 两个微操作：1 插上电源插头 2 按下电源开关,组合逻辑 微程序,微程序设计,将微操作用微指令表示，固化在存储单元，编制对机器指令进行取指、译码和执行的微指令序列（微程序），执行该微程序，完成该机器指令的执行,微程序控制器的基本思想 仿照程序设计的方法，编制每个指令对应的微程序 每个微程序由若干条微指令构成，各微指令包含若干条微命令 (一条微指令相当于一个状态，一个微命令就
9、是状态中的控制信号) 所有指令对应的微程序放在只读存储器中，执行某条指令时，取出对应微程序中的各条微指令，对微指令译码产生对应的微命令，这个微命令就是控制信号 只读存储器称为控制存储器(Control Storage)，简称控存,微程序设计的特点 具有规整性、可维性和灵活性，但速度慢,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,10.2.1 微程序控制的基本原理,微程序控制基本概念,微命令 微操作的控制信号 控制部件
10、通过控制线向执行部件发出的各种控制命令 微操作 执行部件接受微命令后所进行的最基本操作 相容微操作 指在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作 不相容（互斥）微操作 指不能在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作,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,2、微指令基本格式,1/0,1/0,1/0,1/0,微指令格式,操作控制字段 操作控制字段直接给出多种微操作的控制信号 顺序控制字段 用于控制微程序的执行顺序 包括判断逻辑字段和直接地址字段 直接地址字段存放下一条微指令的地址 判断逻辑非零，则按约定
11、好的规则，根据状态修正直接地址字段，从而得到下一条微指令的地址,10.2.2 微程序控制单元及工作原理,1. 机器指令对应的微程序,M+1,M,M+2,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,2. 工作原理,工作原理,(1) 取指阶段,由 CMDR 发命令,形成下条微指令地址,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,M + 1,M + 2,形成下条微指令地址,执行取指微程序,(取指令微程序的第一条微指令的微地址M),(2) 执行阶段,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,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
12、条微指令地址 M,(3) 执行阶段,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,执行 ADD微程序,形成下条微指令地址 Q + 1,形成下条微指令地址 Q + 2,形成下条微指令地址 N,ADD,形成下条微指令地址 Q + 3,由 CMDR 发命令,(4) 取指阶段,由 CMDR 发命令,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 后继地址如何形成,执行取指微程序,2、微程序控制器组成原理框图,顺序逻辑,CMAR,地址译码,3、取指令微程序,取指令 取指令的微指令(简称取指微指令)地址送AR，并自动启动控制
13、存储器进行读操作，将读出的微指令送IR，执行微指令,读取指令到IR,4、执行指令微程序,执行指令： 根据IR中指令的功能，产生该指令微程序入口地址，微程序入口地址送入AR，读CS，读出的微指令送IR、(下址字段送AR)， 控制字段的微命令控制完成一组微操作 同时由微地址产生逻辑或微指令下址字段形成下条微指令地址，按取微指令，执行微指令过程重复执行完微程序实现指令的功能,5、执行指令微程序,采用微程序控制的计算机的工作过程是执行微指令序列的过程。 微指令控制了取指令操作， 多条微指令实现了指令的功能。 而微指令中的微命令使执行部件完成微操作，计算机的工作过程是执行程序的过程，微观看，是执行指令的
14、过程，再微观一点看，是执行部件进行微操作的过程,6、微程序存放示意图,下址字段,地址,1000,XXXX,0111,XXXX,0110,XXXX,0101,XXXX,0100,XXXX,0011,XXXX,0010,XXXX,0001,XXXX,0000,操作控制字段,HALT,64,STA (R1) ，R0,63,JO 75,62,ADD R0，(81),61,LAD R0，(80),60,控制存储器CM,取指微指令,加法微程序,取数微程序,存数微程序,转移微程序,0000,0000,0110,0000,0000,0011,0010,主存储器,几个概念的对比 微命令 VS. 微操作 构成控制
15、信号序列的最小单位，由控制部件向执行部件发送，是微操作的控制信号 执行部件接受微命令后进行的最基本的操作，是微命令控制的操作过程 实质是同一信号：对控制部件体现为微命令，对执行部件体现为微操作 机器指令 VS. 微指令 提供给用户编程的基本单位，机器能完成的最基本操作，机器指令由微指令解释执行 实现机器指令操作的一系列微命令的组合,几个概念的对比 程序 VS. 微程序 由机器指令构成。用户编制，存放在主存储器中，允许修改 微程序是微指令的有序集合，用于描述机器指令。计算机设计者编制，存放在控制存储器中，不允许用户修改 主存储器 VS. 控制存储器 存放系统程序和用户程序，容量大 存放对应于机器指令系统的微程序，容量有限,几个概念的对比 微程序控制 VS. 组合逻辑控制 可调整、速度慢、实现复杂指令 不可调整、速度快、实现简单指令 典型RISC处理器一般采用组合逻辑控制实现 CISC处理器采用两种控制逻辑 常用的简单指令采用组合逻辑控制实现 不常用的复杂指令采用微程序控制实现,机器指令与微指令的关系,机器指令对应一个微程序，这个微程序由若干微指令组成，一个微指令又包含多个微
