第10章控制单元的设计

《第10章控制单元的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章控制单元的设计（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十章 控制单元设计,计 算 机 组 成 原 理,2006年8月28日,10.1 组合逻辑设计 以这种设计方式，CU本质上是一个组合逻辑电路，它将输入逻辑信号转换为一组输出控制信号，又称为硬连线方式。 10.1.1 设计方法 1列出微操作序列的操作时间表 每一条指令都可分解为一个微操作序列。由前已写出的几条指令的微操作序列可看出，每个微操作控制信号的产生由指令的操作码，寻址方式、时序信号、状态条件等决定。根据这些条件即可构成产生每一个控制信号的逻辑电路。图10.1所示为产生ALULT的电路示意。将这些电路集中起来，就构成了控制单元CU。但是，因为不同指令的微操作序列中有相同的控制信号，因此，需

2、将相同的控制信号综合在一起。,&,FT,P0,图10-1 产生ALU LT电路,例如： BUSMAR控制信号，参照上章的几条微操作序列， 找出出现BUSMAR的地方和条件有： 公操作：FT P0 ADD DT P0（MD=1） SUB ST P0（MS=2） DT P0（MD=4） DT P1（MD=4） INC DT P0（MD=3） DT P0（MD=3） 2. 综合合并产生单一控制信号的逻辑表达式 BUSMAR=FTP0+DTP0ADD（MD=1）+STP0SUB（MS=2）+DTP0SUB（MD=4）+DTP1SUB（MD=4）+P0INC（MD=3）+DTP0INC（MD=3）+ 类

3、似有 1 C0=FTP0+STP0SUB(MS=2)+DTP0SUB（MD=4）+DTP0INC（MD=3）+ETP0INC+ETP0JMP（MS=2）+,从上面的例子可以看出，微操作控制信号是周期、节拍、指令码及其他条件的函数。 上面写出的微操作控制信号的逻辑表达式是根据仅有的几条指令写出的，如果指令条数增多，其逻辑表达式可能还要长。实际机器指令往往有几十条到几百条，所在整个机器的微操作控制信号很多，而且每个微操作信号的逻辑表达式中包含的项数也很多。所以，还须进行逻辑化简、整理、以得到最简的合理表达式。 3.化简问题，可采用“数字逻辑”课程中介绍的各种方法。化简的目的，一是减少引线，减少元器

4、件数，使成本最低；二是使逻辑级数最少，以减少延迟时间，提高速度。 4逻辑实现 经过化简以后的逻辑表达式即可用逻辑电路实现。图10.2是产生BUSMAR的逻辑电路示意图。,图5.31 硬布线控制器结构方框图,硬布线控制器的基本原理： C=f(Im,Mi,Tk,Bj),1、组合逻辑控制单元框图,(1). CU 外特性,CU由组合逻辑网络组成，可以是组合逻辑电路或PLA等。它的输入信号主要有： （1）指令译码器输出。包括指令OP和寻址方式译码器输出。因为不同指令需要不同的微操作控制信号，必须由当前执行的指令的OP决定。同时，在执行不同寻址方式取不同操作数时，应有寻址方式决定执行相应的微操作。 （2）

5、时序信号，当指令处于不同的时间段时，执行不同的操作，则CU也必须受周期、节拍信号的控制。 （3）标志，由PSW给出，CU需要一些标志来决定CPU应该发出哪些控制信号。 组合逻辑网络的输出即为微操作控制信号（微命令）。 指令执行过程：机器加电后产生的Reset信号将要执行的第一条指令的地址装入PC，并且将FT周期触发器置1。当复位信号结束后，开放时钟，节拍发生器产生节拍信号，CU则根据周期触发器状态，节拍信号产生取指令所需的各个微命令，完成将第一条指令取出送到IR。同时PC+1PC，准备好下一条指令的地址。然后根据取出的指令进行相应的操作，具体完成本条指令的功能。, 逻辑网络的输入信号来源： 来

6、自指令操作码的译码输出信号Im； 来自执行部件的操作反馈信息Bj； 来自时序产生器的时序信号： 节拍电位（CPU周期）信号Mi 节拍脉冲（时钟脉冲）信号Tk 逻辑网络的输出信号： 微操作控制信号Cn -对执行部件进行操作控制； 其他控制信号-根据条件变量改变时序发生器的计数顺序，以缩短指令周期。 微操作控制信号Cn是Im、Mi、Tk和Bj的函数，即： Cn = f(Im, Mi, Tk, Bj),(2) 节拍信号,CLK,T0,T1,T2,T3,2.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）,(1). 安排微操作时序的原则

7、,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,(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,T2,T0,T1,T2, LDA X, JMP

8、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,3、组合逻辑设计步骤,(1). 列出操作时间表,T2,T1,T0,FE 取指,JMP,LDA,SAT,ADD,COM,CLA,微操作命令信号,状态条件,节拍,工作周期标记,I,间址特征,T2,T1,T0,IND 间址,间址周期标志,T2,T1,T0,EX 执行,(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 ),=

9、 T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) ,(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,FE,IND,EX,LDA,ADD,JMP,BAN,STA,T1,（RISC）,10.2 微程序设计 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

10、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。,10.2.1 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,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,10.2.1 微程序控制的基本原理 1基本概念 1）微命令和微操作 计算机基本可划分为二大部分控制部件和执行部件。控制器是控制部件，而运算器、存储器、外部设备是执行部件。 微命令构成控制信号序列的最

11、小单位，即微操作控制信号。 微操作执行部件接受微命令后所进行的最基本的操作。,2）微指令和微周期 微指令若干个微命令的组合。以编码字的形式放在控存的一个单元中。用来产生一组控制信号。 一条微指令有：微操作码字段，又称操作控制字段。 微地址码字段，又称顺序控制字段。 其它相关信息，如常数字段、标志字段等。,微指令周期:从控制存储器中读取一条微指令并执行这条微指令所需的时间,通常一个微指令周期与一个CPU周期的时间相等.微指令中的微命令可以用节拍脉冲来同步定时.,3）微程序和微程序微设计 微程序由微指令组成的程序。 微程序设计是将传统的程序设计方法运用到控制逻辑的设计中。控制逻辑的本质是控制计算机

12、内部的信息传送以及它们之间的相互关系。因此，微程序设计就是用类似程序设计的方法，组织和控制计算机内部信息的传送和相互的联系。 4）控制存储器 存放微程序的存储器，又称为微程序存储器。由于该存储器主要存放控制命令与下一条要执行的微指令地址，所以称控制存储器。它们每个单元存放一条微指令代码。计算机的指令系统是固定的，所以实现指令系统的微程序也是固定的，于是控存可用只读存储器实现。,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. 微程序控制单元的基本框图,顺序逻辑,CMAR,地址译码,至 CPU 内部和系统总线的控

13、制信号,微程序控制单元框图及工作原理,M+1,M+2,P+1,P+2,K+1,K+2,M,M,转执行周期微程序,转取指周期微程序,3. 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,形成下条微指令地址 M,(3) 取指阶段,由 CMDR 发命令,全部

14、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,10.2.2 微程序设计技术 微程序设计的关键是如何确定微指令的结构（包括微指令编码和微地址形成方法）。 1.微指令编码 (1)直接表示法-微指令操作控制宇段中的每一位代表一个微命令。 优点：简单直观，其输出可直接用于控制； 缺点：微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。 (2)编码表示法-把一组相斥性的微命令信号组成一个小组（即一个字段），然后通过小组（字段）译码器产生操作控制信号。 优点：可以用较少的二进制信息位表示较多的微命令信号，使微指令字长大大缩

15、短； 缺点：由于增加了译码延时，微程序的执行速度略有减慢。 (3)混合表示法-把直接表示法与编码表示法混合使用,以便综合考虑微指令字长、灵活性和执行微程序速度等方面的要求。,(例）某机有8条微指令I1-I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。,a- j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段为8位，请安排微指令的控制字段格式。,解：分析表格，（e ,f ,h）和（b, i, j）对于任何一条微指令，都是相斥性微操作，即不可能在同一个CPU周期中同时发生这些操作，因此可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码产生这六个微命令信号。剩下的a, c, d, g 四个微命令信号可进行直接控制，其整个微指令控制字段组成如下：,（2）微地址的确定方法 在计算机中，微程序以编码形式按给定的微指令地址存放在控存中相应单元，执行时，只依次给出各条微指令的地址，就能使微程序连续执行，直至完成为止。要解决微程序的执行顺序控制，关键在于当前微指令执行完毕后，如何确定，后续微指令的地址。后续微地址的确定，取决于微程序的基本流程。在微程序设计中充分运用了软件的程序设计技术，因而，微程序流程中也有微程序、微程序循环、微子程序等。 初始微地址的形成-微指令地址的形成 此节讨论微指令中地址字段和后继微地址的形成方法，然后讨论如何找到每条机器指令的微程序入口，又如何使微程序