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1、ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存CPUCUALU完成对数据完成对数据的暂存及运的暂存及运算处理算处理基本运算规则基本运算规则基本硬件配置基本硬件配置指挥各部件指挥各部件协同运行协同运行节拍分析节拍分析CU 设设计逻辑计逻辑微程序微程序硬布线硬布线CU节拍分析节拍分析1第第章章 控制单元的功能控制单元的功能9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制单元的功能控制单元的功能2第第10章章 控制单元的设计控制单元的设计10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计 (硬布线逻辑硬布线逻辑)10.2 微程序设计微程序设计3重点：重点：1、CU功能及结构；功能及结构； 2、微操作命令序列分析及节
2、拍安排；、微操作命令序列分析及节拍安排； 3、理解控制单元的两种设计思想：、理解控制单元的两种设计思想： 组合逻辑控制器和微程序控制器。组合逻辑控制器和微程序控制器。难点：难点：1、节拍产生；、节拍产生； 2、微操作命令序列分析；、微操作命令序列分析； 3、微指令格式及微程序控制器设计。、微指令格式及微程序控制器设计。 49.2 控制单元的功能控制单元的功能一、控制单元基本结构一、控制单元基本结构指令寄存器指令寄存器控制单元控制单元 CU标志标志CPU 内部控制信号内部控制信号到系统总线控制信号到系统总线控制信号来自系统总线控制信号来自系统总线控制信号系系统统总总线线时钟时钟节拍发生器节拍发生
3、器 PC-指挥各部件协同运行指挥各部件协同运行(INTR 、HRQ ) OP ( IR ) CU(PC) + 1 PCALU: 、与、或与、或 IO/M、RD、WRINTA、HLDA5CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3节拍信号发生器：节拍信号发生器：6CLK 机器周期机器周期 CO Q1Q0 2/4T3T2T1T0 节拍节拍时钟时钟7二、控制方式二、控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1. 同步控制方式同步控制方式任一微操作均由任一微操作均由 统一基准时标统一基准时标 的时序
4、信号控制的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T382. 异步控制方式异步控制方式无基准时标信号无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用采用 应答方式应答方式3. 联合控制方式联合控制方式4. 人工控制方式人工控制方式(1) Reset、Wait(2) 连续连续 和和 单条单条 指令执行转换开关指令执行转换开关同步与异步相结合同步与异步相结合99.1 微操作命令的分析微操作命令的分析若指令周期
5、由若指令周期由 4 个工作周期组成：个工作周期组成：取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期数据流数据流-与微操作与微操作(微命令微命令)序列对应序列对应一、工作周期数据流及微操作分析：一、工作周期数据流及微操作分析：10MDRCUMARPCIR存储器存储器CPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线IR+1 1、取指周期、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IROP（IR） CU( PC ) + 1 PC11MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PCIR存储器存储器MDR2、间址周期、间址
6、周期 Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR MAR123、执行周期、执行周期不同指令的执行周期数据流及微操作命令序列不同不同指令的执行周期数据流及微操作命令序列不同Ad ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC LDA M13MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PC存储器存储器（程序断点（程序断点 进栈）进栈）( SP ) 1 MAR1 W4、中断周期、中断周期PC MDRMDR M ( MAR ) 中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 PC0 EINT（置置“0”）14 PCIRACCU时时钟钟ALU
7、C1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC13二、控制信号举例二、控制信号举例-微命令分析微命令分析与与 CPU 内部结构、微操作序列有关内部结构、微操作序列有关1.不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式 (门控类控制信号门控类控制信号)15PCIRACCU时时钟钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号C0C1C2C3C4取指周期：取指周期：PCIRCUPCPCPC M D R M A R M D R M A RPC MAR 地址线地址线C0 C11 RM ( MAR ) MDRC2MDR I
8、RC3OP（IR） CUC4( PC ) + 1 PC16MDRCUIRPCMARAC YALUZ控制信号控制信号控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟2. 采用采用 CPU 内部总线方式内部总线方式17MDRMDRCU取指周期取指周期: PC CU 发读命令发读命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信号控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线数据线数据线控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCP
9、CCU18基本原则：尽可能同步控制；保持微操作序列；不同被控对象微操作尽可能安排在一个节拍内；同一被控对象，先后微操作占用时间不长，允许在一个节拍内先后完成；数据传递不冲突。三、微命令节拍分配：三、微命令节拍分配：19 微操作节拍安排举例：微操作节拍安排举例：采用采用 同步控制方式同步控制方式CPU 内部结构采用非总线方式内部结构采用非总线方式一个一个 机器周期机器周期 内有内有 3 个节拍（时钟周期）个节拍（时钟周期）PCIRACCU时时钟钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC1320PCIRACC
10、U时时钟钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号C0C1C2C3C41、取、取指周期：指周期：PCIRCUPCPCPC M D R M A R M D R M A RPC MAR 地址线地址线C0 C11 RM ( MAR ) MDRC2C3MDR IROP（IR） CUC4( PC ) + 1 PCT0T1( PC ) + 1 PCMDR IROP（IR） CUT2C3C421LDA MT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACC1 R2. 执行周期执行周期 微操作节拍安排微操作节拍安排C5C2C12PCIRACCU时时钟钟ALUC1C2C5C9C0
11、C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC13223. 中断周期中断周期 微操作节拍安排微操作节拍安排T0T1T2 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件关中断硬件关中断向量地址向量地址 PC1 WPCIRACCU时时钟钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC9C13C13?23组合逻辑设计步骤：组合逻辑设计步骤：1. 列出操作时间表列出操作时间表2. 写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最简表达式3. 画出逻辑图画出逻辑图1
12、0.1 组合逻辑设计组合逻辑设计24PCIRACCU时时钟钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC1325功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+ M 000011ADD M ACC ACC *M000100MUL M 打印打印 M 000101PRT M 停机停机000110HALT指令系统：指令系统：26 取指周期取指周期 微操作节拍安排微操作节拍安排:PC MARM ( MAR ) MDRMDR
13、IR( PC ) + 1 PCT0T1T21 ROP ( IR ) CUC0 C1C2C3C427LDA MT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACC1 R执行周期执行周期 微操作节拍安排微操作节拍安排:C5C2C12PCIRACCU时时钟钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC13281. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 FE取指取指 HALTPRTMULADDSTALDA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记C0 、
14、 C11 RC2 ( PC ) +1 PCC3C4111111111111111111111111111111111111291. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 EX执行执行 HALTPRTMULADDSTALDA微操作命令信号微操作命令信号状态状态条件条件节拍节拍工作工作周期周期标记标记C51 RC2 C12 1 W1111302. 写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最简表达式C4= FE T2 + C0= FE T0 + C1= FE T0 + C3= FE T2 + C12= EX T2 ( LDA + ) + C2= FE T1 + EX T1 ( LDA + )
15、+ 313. 画出逻辑图画出逻辑图特点特点 思路清晰，简单明了思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难庞杂，调试困难，修改困难 速度快速度快&11&1FEINDEXLDAADDHLTAMULSTAT1M ( MAR) MDR (C2)（RISC）&323310.2 微程序设计微程序设计一、微程序设计思想的产生一、微程序设计思想的产生 完成完成一条机器指令一条机器指令微操作命令微操作命令 1微操作命令微操作命令 2微操作命令微操作命令 n微指令微指令 110100000微指令微指令 n微程序微程序00010010一条机器指令对应一个微程序一条机器指令对应一个微程序存入存储器存入存储器(控制存
16、储器控制存储器)按节按节拍组拍组合合341.微程序个数：微程序个数： 取指周期 间址周期 执行周期 中断周期 取指周期 1 间址周期 1 中断周期 1 执行周期 指令条数35功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+ M 000011ADD M ACC ACC *M000100MUL M 打印打印 M 000101PRT M 停机停机000110HALT模型机指令系统：模型机指令系统：模型机指令系统微程序：模型机指令系统微程序： 取指周期取指周期 1 1个个 执行周期执行周期 6 6个个362.
17、 控制存储器模型：控制存储器模型：M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序取指周期微程序对应对应 LDA 操作的微程序操作的微程序对应对应 STA 操作的微程序操作的微程序间址周期微程序间址周期微程序中断周期微程序中断周期微程序微地微地址址微指微指令令占用存占用存储单元储单元个数即个数即微操作微操作节拍数节拍数37LDA XADD YSTA Z主存主存PRT用用户户程程序序控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 LDA 操操作微程序作微程序对应对应 ADD 操操作微程序作微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应 S
18、TA 操操作微程序作微程序K+1K+2MKK+2K+13、微程序控制、微程序控制单元工作原理单元工作原理下地下地址址起起始始384. 微指令基本格式：微指令基本格式：1 0 0 0 0 1M+ +1M微命令微命令( (微指微指令令) )下地下地址址门控信号、门控信号、操作方式控制操作方式控制软件：下地址字段软件：下地址字段硬件：逻辑电路硬件：逻辑电路控存容量控存容量? ?顺序控制顺序控制操作控制操作控制控存程序控存程序计数器计数器CMAR39三、微指令的编码方式（控制方式）三、微指令的编码方式（控制方式）1. 直接编码（直接控制）方式直接编码（直接控制）方式每一位代表一个微操作命令。每一位代表
19、一个微操作命令。速度最快速度最快下地址下地址控制信号控制信号操作控制操作控制(操作控制字段编码方式操作控制字段编码方式)402. 字段直接编码方式字段直接编码方式每个字段中的命令是每个字段中的命令是 互斥互斥 译码译码译码译码译码译码下地址下地址操作控制操作控制控制信号控制信号微程序执行速度较慢微程序执行速度较慢显式编码显式编码保留一个代码组合表示本字段不发命令保留一个代码组合表示本字段不发命令413. 字段间接编码方式字段间接编码方式4. 混合编码混合编码直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用5. 其他其他字段字段 1字段字段 2译码译码译码译码译码
20、译码操作控制操作控制控制信号控制信号字段字段 n 下地址下地址控制信号控制信号隐式编码隐式编码42原则：尽可能少的二进制位 尽可能快的发出命令合并直接编码方式字段编码微指令的编码举例：微指令的编码举例：例例10.4 P408例例10.7 P41943控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 LDA 操操作的微程序作的微程序对应对应 ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应 STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1四、微指令序列四、微指令序列地址的形成地址的形成(顺序控制字顺序控制字段编码
21、方式段编码方式)441. 微指令的微指令的 下地址字段下地址字段 指出指出-软件方式软件方式2. 根据机器指令的根据机器指令的 操作码操作码 形成形成-软件或硬件方式软件或硬件方式3. 增量计数器增量计数器4. 分支转移分支转移( CMAR ) + 1 CMAR 转移地址转移地址操作控制字段操作控制字段 转移方式转移方式转移方式转移方式 指明判别条件指明判别条件转移地址转移地址 指明转移成功后的去向指明转移成功后的去向455. 通过测试网络通过测试网络6. 由硬件产生由硬件产生微程序入口地址微程序入口地址第一条微指令地址第一条微指令地址 由专门由专门 硬件硬件 产生产生中断周期中断周期 由由
22、硬件硬件 产生产生 中断周期微程序首地址中断周期微程序首地址非测试地址非测试地址 h测试地址测试地址 l测试网络测试网络测试源测试源微指令地址微指令地址CMDR操作控制操作控制顺序控制顺序控制HL46微指令序列地址形成原理图：微指令序列地址形成原理图：地址地址选择选择+ + 1CMAR地址译码地址译码下地址下地址转移方式转移方式CMDR控制存储器控制存储器控制信号控制信号 分支分支 逻辑逻辑标志标志微程序入口微程序入口OPIR 微地址微地址 形成部件形成部件 多路选择多路选择47五、五、模型机模型机微程序设计举例微程序设计举例48指令助记符指令功能指令编码ADD A,Ri(A)+( Ri)(A
23、)0000 11 000000 11 010000 11 100000 11 11SUB A,Ri(A)-( Ri)(A)0001 11 000001 11 010001 11 100001 11 11MOV A,Ri Ri(A)0010 11 000010 11 010010 11 100010 11 11MOV A,Ri( Ri)(A)0011 11 000011 11 010011 11 100011 11 1149MOV Ri, A(A)( Ri)0100 11 000100 11 010100 11 100100 11 11MOV A,#datadata(A) 0101 11 11
24、xxxx xxxxMOV Ri, #datadata( Ri)0110 11 00 xxxx xxxx0110 11 01 xxxx xxxx0110 11 10 xxxx xxxx0110 11 11 xxxx xxxxLDA addraddr(A) 0111 11 11 xxxx xxxxSTA addr(A)addr 1000 11 11 xxxx xxxxRLC AC、A左移1位 1001 11 11RRC AC、A右移1位 1010 11 11JZ addrZ=1，addr(PC) 1011 00 11 xxxx xxxxJC addrC=1，addr(PC) 1011 01 11
25、xxxx xxxxJMP addraddr(PC) 1011 11 11 xxxx xxxxORL A,#data(A)或data(A) 1100 11 11 xxxx xxxxANL A,#data(A)与data(A) 1101 11 11 xxxx xxxxHALT停机 1111 11 11501、微程序存储模型：、微程序存储模型：M+1MM+2P+1PP+2取指周期微程序取指周期微程序对应对应 ADD 操作的微程序操作的微程序? ?段：段： 1717若每段若每段4 4个节拍个节拍？单元：？单元：6868P+3M+351 2、微指令格式：、微指令格式：1 0 0 0 0 1M直接控制直接
26、控制控存容量控存容量? ? 2 27 7*24*24操作控制操作控制实验四实验四6264：2 28 8*24*24门控信号门控信号+ +操作方式控制：操作方式控制：2424位位52 3、下地址的形成、下地址的形成CMARCMAR+ 100H-RD控存控存+10+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序Q+1Q+20+1+2P+1P+20K+1K+20KK+2K+1实验四：实验四：74LS16300H-RD按操作码散转按操作码散转53 0 0 I7 I6 I5 I4 1 1 按操作码散转按操作码散转:0 0 0 0 ADD 03H0 0 0 1 SUB 07H1 1 1 1
27、HALT 3FH-LD5455实验准备：实验准备： 实验四实验四 微程序控制单元实验微程序控制单元实验实验时间实验时间：1学时学时实验准备：实验准备： 实验五实验五 模型机实验模型机实验 实验时间实验时间：3学时学时565758六、微指令格式六、微指令格式1. 水平型微指令水平型微指令如如 直接编码、字段直接编码、字段间接编码、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直接和字段混合编码2. 垂直型微指令垂直型微指令类似机器指令操作码类似机器指令操作码 的方式的方式一次能定义并执行多个并行操作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由微操作码字段规定微指令的功
28、能593. 两种微指令格式的比较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水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强 ，灵活性强灵活性强;(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指令结构;(4) 水平型微指令与机器指令差别大水平型微指令与机器指令差别大.60七、静态微程序设计和动态微程序设计七、静态微程序设计和动态微程序设计静态静态-微程序无须改变，采用微程序无须改变，采用 ROM;动态动态-
29、通过改变微指令和微程序改变机器指令，通过改变微指令和微程序改变机器指令， 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM.八、毫微程序设计八、毫微程序设计1. 毫微程序设计的基本概念毫微程序设计的基本概念微程序设计微程序设计-用微程序解释机器指令用微程序解释机器指令;毫微程序设计毫微程序设计-用毫微程序解释微程序用毫微程序解释微程序.61 2.毫微程序控制存储器的基本组成毫微程序控制存储器的基本组成 控制存储器控制存储器 （微程序）（微程序）CMAR1MOPOP转移地址转移地址垂直型垂直型微指令微指令IR+ + 1CMDR1CMAR2 控制存储器控制存储器（毫微程序）（毫微程序）水平型微指令水平
30、型微指令控制信号控制信号CMDR262九、串行微程序控制和并行微程序控制九、串行微程序控制和并行微程序控制取第取第 i+1 条微指令条微指令执行第执行第 i 条微指令条微指令取第取第 i 条微指令条微指令执行第执行第 i+1 条微指令条微指令执行第执行第 i 条微指令条微指令取第取第 i 条微指令条微指令取第取第 i+1 条微指令条微指令 执行第执行第 i+1 条微指令条微指令取第取第 i+2 条微指令条微指令 执行第执行第 i+2 条微指令条微指令串行微程序控制串行微程序控制:并行微程序控制并行微程序控制63 作业：作业： 9.11 10.15、10. 2164 成绩评定：成绩评定： 平时成绩：平时成绩： 30% (考勤、作业、实验考勤、作业、实验) 期末成绩期末成绩: 70%65期末考核期末考核: 存储器存储器(第四章第四章)： 40% CPU(第七、八、九、十章第七、八、九、十章)： 40% “基本原理基本原理” 6667
