计算机组成原理第十章_2014_15_2

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1、第第1010章章 控制单元的设计控制单元的设计 10.1 组合逻辑设计 10.2 微程序设计 10.1 10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计 一、组合逻辑控制单元框图 1. CU 外特性 IR 节拍发生器 CU T0 T1 Tn CLK （机器主频） 标志 0 1 2n-1 C0C1Cn 操作码译码 n 位操作码 2.节拍信号 CLK T0 T1 T2 T3 时钟周期 机器周期机器周期 T0T1T2T3T0T1T2T3 10.110.1 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） 10.110.1 PCIR AC CU

2、时钟 ALU C1 C2 C5 C9 C0 C10 C3 C7 C4 C6 C12 C11 C8 控制信号 标志 控制 信号 M D R M A R 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 10.110.1 2. 取指周期 微操作的 节拍安排 PC MAR M ( MAR ) MDR MDR IR ( PC ) + 1 PC 原则二 原则二 原则三 3. 间址周期 微操作的 节拍安排 M ( MAR ) MDR MDR

3、 Ad ( IR ) T0 T1 T2 T0 T1 T2 1 R OP ( IR ) CU Ad ( IR ) MAR 1 R 10.110.1 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 AC0 AC0 L ( AC ) R ( AC ) 0 AC AC AC 10.110.1 CSL STP ADD X STA X R ( AC ) L ( AC )AC0 ACn T0 T1 T2 0 G T0 T1 T2 T0 T1 T2 T0 T1 T2 Ad ( IR ) MAR M ( MAR ) MDR ( AC ) + (

4、MDR ) AC Ad ( IR ) MAR AC MDR MDR M ( MAR ) 1 R 1 W 10.110.1 LDA X JMP X BAN X T0 T1 T2 Ad ( IR ) MAR M ( MAR ) MDR MDR AC T0 T1 T2 T0 T1 T2 Ad ( IR ) PC 1 R A0 Ad ( IR ) + A0 PC PC 10.110.1 5. 中断周期 微操作的 节拍安排 T0 T1 T2 0 MAR PC MDR MDR M ( MAR ) 硬件关中断 向量地址 PC 中断隐指令完成 1 W 10.110.1 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间

5、表 T2 T1 T0 FE 取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号 状态 条件 节拍 工作 周期 标记 PC MAR 1 R M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC MDR IR OP( IR ) ID 1 IND 1 EX I I 10.110.1 间址特征 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 T2 T1 T0 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) MAR 1 R M(MAR) MDR MDR Ad (IR) 1 EX IND 10.110.1 间址周期标志 T2 T1 T0 E

6、X 执行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号 状态 条件 节拍 工作 周期 标记 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR AC MDR (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 1 W 10.110.1 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 T2 T1 T0 FE 取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号 状态 条件 节拍 工作 周期 标记 PC MAR 1 R M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC MDR IR OP( IR ) ID 1 IND 1 EX

7、 I I 111111 111111 111111 111111 111111 1111 111111 111111 10.110.1 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 T2 T1 T0 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) MAR 1 R M(MAR) MDR MDR Ad (IR) 1 EX IND 1111 1111 1111 1111 1111 10.110.1 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 T2 T1 T0 EX 执行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号 状态 条件

8、 节拍 工作 周期 标记 Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR AC MDR (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 1 W 111 11 1 11 1 1 1 1 1 10.110.1 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 ) 10.110.1 3. 画出逻辑

9、图 特点 思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难 速度快 & & &1 1 & & & 1 FE IND EX LDAADD JMPBAN STA T1 M ( MAR) MDR （RISC） & 10.110.1 10.2 10.2 微程序设计微程序设计 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 微指令 1 10100000 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+1 M M+2

10、 P+1 K K+2 P P+2 K+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 10.210.2 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 10.210.2 二、微程序控制单元框图及工作原理 M+1 M M+2 P+1 K K+2 P P+2 K+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+1 M

11、+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 10.210.2 3. 工作原理 LDA X ADD Y STA Z 主存 STP 用户程序 10.210.2 控存 M+1 M M+2 P+1 Q Q+2 P P+2 Q+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+1 Q+2 M M+1 M+2 P+1 P+2 M 对应 STA 操 作的微程序 K+1 K+2 M K K+2 K+1 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 速度最快 下地址

12、 控制信号 操作控制 某位为 “1” 表示该控制信号有效 10.210.2 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 10.210.2 显式编码 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 操作控制 控制信号 字段 n 下地址 控制信号 10.210.2 隐式编码 四、微指令序列地址的形成 1. 微指令的 下地址字段 指出 2.

13、根据机器指令的 操作码 形成 10.210.2 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 T0 T1 T2 PC MAR M ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PC MDR IROP ( IR ) 微地址形成部件 九、微程序设计举例 -步骤说明 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 ) CMAR OP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR 10.210.2 2. 确定微指令格式 (1) 微指令的编码方式 (2) 后续微

14、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部件形成 由微指令的下地址字段直接给出 (3) 微指令字长 条件： 20 个微操作，38条微指令 确定 操作控制字段 最少 20 位 10.210.2 确定 下地址字段 最少 6 位 共26位 3. 编写微指令码点 1116 LDA 12 111ADD 110 04COM 03CLA 1 1101 1100 微指令 地址 (八进制) 微程序 名称 1100 1 1 0000 0 0 0100 0 1 0000 0 0 0000 0 0 0000 1 0 微指令（二进制代码） 操作控制字段下地址字段 1170010 0 0 取指 02 20 000 0 10 0100 1 0 0000 0 0 10.210.2 2726252423104321 2928 0 1