计算机组成 之 控制单元的 设计,计算机学院,本章主要内容,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,操作码译码,,2.节拍信号,,,,,CLK,T0,T1,T2,T3,10.1,,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）,10.1,,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,10.1,2. 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,,T2,10.1,4. 执行周期 微操作的 节拍安排,① CLA,② COM,③ SHR,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1,④ CSL,⑤ STP,⑥ ADD X,⑦ STA X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1,⑧ LDA X,⑨ JMP X,⑩ BAN X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1,5. 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,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,,T2,T1,T0,FE取指,JMP,LDA,STA,ADD,COM,CLA,微操作命令信号,状态条件,节拍,工作周期标记,,,,,,,I,10.1,间址特征,,T2,T1,T0,IND 间址,,,,10.1,间址周期标志,T2,T1,T0,EX执行,,,,,,,,,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,10.1,2. 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 ),= T1{ FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) },10.1,3. 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）,10.1,10.2 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 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（控制存储器）,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,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,…,10.2,2. 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制信号,10.2,二、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,…,10.2,×××,3. 工作原理,10.2,3. 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,10.2,(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,10.2,(3) 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 后续地址如何形成,执行取指微程序,…,10.2,三、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,某位为 “1” 表示该控制信号有效,10.2,2. 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,缩短 了微指令 字长，增加 了译码 时间,微程序执行速度较慢,10.2,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,10.2,隐式编码,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10.2,四、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,转移方式 指明判别条件,转移地址 指明转移成功后的去向,10.2,5. 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,10.2,,7. 后续微指令地址形成方式原理图,,地址选择,,,,,,+ 1,,微程序入口,10.2,,,五、微指令格式,1. 水平型微指令,如 直接编码、字段直接编码、字段间接编码、 直接和字段混合编码,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,由微操作码字段规定微指令的功能,10.2,3. 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 ， 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,(4) 水平型微指令与机器指令 差别大,10.2,六、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,10.2,2. 毫微程序控制存储器的基本组成,,,10.2,八、串行微程序控制和并行微程序控制,串行 微程序控制,并行 微程序控制,10.2,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,T2,九、微程序设计举例,3 条微指令,10.2,(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,T0,T1,T2,T3,T4,T5,10.2,(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,① CLA 指令,T0,T1,② COM 指令,T0,T1,10.2,④ CSL 指令,T0,T1,⑤ STP 指令,T1,T0,③ SHR 指令,T0,T1,10.2,• 访存指令,⑥ ADD 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5,⑦ STA 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5,10.2,⑧ LDA 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5,10.2,全部微操作 20个,微指令 38条,• 转移类指令,⑨ JMP 指令,T0,T1,⑩ BAN 指令,T0,T1,10.2,2. 确定微指令格式,(1) 微指令的编码方式,(2) 后续微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,由 20 个微操作,确定 操作控制字段 最少 20 位,由 38 条微指令,确定微指令的 下地址字段 为 6 位,微指令字长 可取 20 ＋ 6 ＝ 26 位,10.2,(4) 微指令字长的确定,1 条,18 条,其中,,若用 Ad ( CMDR ) 直接送控存地址线,则 省去了输至 CMAR 的时间，省去了 CMAR,同理,可省去 19 条微指令，2 个微操作,38 － 19 ＝ 19 下地址字段最少取 5 位,10.2,20 － 2 ＝ 18操作控制字段最少取 18 位,18 位,考虑留有一定的余量,取操作控制字段,下地址字段,5 位,共 30 位,,(6) 定义微指令操作控制字段每一位的微操作,10.2,(5) 省去了 CMAR 的控制存储器,3. 编写微指令码点,,,1,,,,,1,,16,LDA,,,,,,,,,,12,,,,,,,,1,,,11,ADD,,,,,,,,1,,10,,,,,,,,,,04,COM,,,,,,,,,,03,CLA,,,,,1,1,1,,,01,,,,,,,,,1,1,00,,,,,,,微指令 地址(八进制),微程序 名称,,微指令（二进制代码）,操作控制字段,下地址字段,,,,,,,,1,,,17,,取指,02,20,10.2,1,作业,P4201～3910111522,本章结束,谢谢,。