第十章 控制单元的设计10.1 组合逻辑设计10.2 微程序设计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节拍发生器CUT0 T1TnCLK （机器主频）标志0 12n-1C0C1Cn操作码译码n 位操作码2.节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T310.110.1二.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）MDRPCMARIRACCU时钟ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信号标志控制 信号10.110.11. 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10.110.12. 取指周期 微操作的 节拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR 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 ) MDRMDR Ad（IR）T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R10.110.14. 执行周期 微操作的 节拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2 AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC10.110.1 CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDR( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W10.110.1 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC10.110.15. 中断周期 微操作的 节拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件关中断向量地址 PC中断隐指令完成1 W10.110.1三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0FE取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII10.110.1间址特征三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0IND间址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND10.110.1间址周期标志T2T1T0EX执行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表1 W10.110.1三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0FE取指 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII111111 111111111111 111111111111111111111111111110.110.1三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0IND间址JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND111111111111 1111111110.110.1三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表T2T1T0EX执行 JMPLDASATADDCOMCLA微操作命令信号状态 条件节拍工作 周期 标记 Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W11111111111 1110.110.12. 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 ) 10.110.13. 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&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&10.110.110.2 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+1MM+2P+1KK+2PP+2K+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10.210.22. 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操作控制顺序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+1MM+2P+1KK+2PP+2K+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+2P+1 P+2K+1 K+2MM转执行周期微程序转取指周期微程序10.210.23. 工作原理控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+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 MM+1 M+2P+1 P+2 M对应 STA 操 作的微程序K+1 K+2 MKK+2K+1LDA X ADD Y STA Z主存STP用户程序10.210.23. 工作原理(1) 取指阶段 M CMARCM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令形成下条微指令地址Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令M + 1M + 2PC MAR1 RM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IR0 0 1 0 0 0 0M + 21 0 0 0 0 1M+1M0 1 0 0 1 0M+2M + 1形成下条微指令地址执行取指微程序10.210.2(2) 执行阶段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令OP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR( P CMAR )Ad (CMDR ) CMARAd ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P + 2M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( M CMAR )0 1 0 0 0P+2P + 10 0 0 1 0 0 1P+1P10.210.2(3) 取指阶段CM ( CMAR ) CMDR由 CMDR 发命令M CMAR PC MAR1 R1 0 0 0 0 1M+1M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10.210.2三、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下地址控制信号操作控制某位为 “1” 表示该控制信号有效10.210.22. 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10.210.23. 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( CMAR ) + 1 CMAR转移地址操作控制字段 转移方式转移方式 指明判别条件转移地址 指明转移成功后的去向10.210.25. 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