计算机组成原理9-10模板ppt课件

CPU,CU,ALU,完成对数据的暂存及运算处理,基本运算规则,基本硬件配置,指挥各部件协同运行,节拍分析,CU设计逻辑,微程序,硬布线,CU,节拍分析,1,第章控制单元的功能,2,第10章控制单元的设计,3,重点：1、CU功能及结构；2、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：组合逻辑控制器和微程序控制器。难点：1、节拍产生；2、微操作命令序列分析；3、微指令格式及微程序控制器设计。,4,9.2控制单元的功能,一、控制单元基本结构,标志,CPU内部控制信号,到系统总线控制信号,来自系统总线控制信号,-指挥各部件协同运行,(INTR、HRQ),(PC)+1PCALU:、与、或,5,CLK,T0,T1,T2,T3,节拍信号发生器：,6,CLK,机器周期,CO,Q1Q0,2/4,T3T2T1T0,节拍,时钟,7,二、控制方式,产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式,1.同步控制方式,任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制,CLK,8,2.异步控制方式,无基准时标信号,无固定的周期节拍和严格的时钟同步,采用应答方式,3.联合控制方式,4.人工控制方式,(1)Reset、Wait,(2)连续和单条指令执行转换开关,同步与异步相结合,9,9.1微操作命令的分析,若指令周期由4个工作周期组成：,取指周期,间址周期,执行周期,中断周期,数据流-与微操作(微命令)序列对应,一、工作周期数据流及微操作分析：,10,CU,MAR,PC,1、取指周期,11,2、间址周期,12,3、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,LDAM,13,（程序断点进栈）,4、中断周期,14,C13,二、控制信号举例-微命令分析,与CPU内部结构、微操作序列有关,不采用CPU内部总线的方式(门控类控制信号),15,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制信号,取指周期：,PC,IR,CU,PC,PC,PC,MDR,MAR,MDR,MAR,C0C1,C2,C3,C4,16,控制信号,控制信号,2.采用CPU内部总线方式,17,取指周期:,PC,MDR,OP（IR）,控制信号,控制信号,MAR,MDR,IR,CU,18,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：,19,微操作节拍安排举例：,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）,C13,20,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制信号,1、取指周期：,PC,IR,CU,PC,PC,PC,MDR,MAR,MDR,MAR,C0C1,C2,C3,C4,T0,T1,T2,C3,C4,21,LDAM,T0,T1,T2,2.执行周期微操作节拍安排,C5,C2,C12,C13,22,3.中断周期微操作节拍安排,T0,T1,T2,硬件关中断,C9,C13,C13,?,23,组合逻辑设计步骤：,1.列出操作时间表,2.写出微操作命令的最简表达式,3.画出逻辑图,10.1组合逻辑设计,24,C13,25,指令系统：,26,取指周期微操作节拍安排:,T0,T1,T2,C0C1,C2,C3,C4,27,LDAM,T0,T1,T2,执行周期微操作节拍安排:,C5,C2,C12,C13,28,1.列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,29,1.列出操作时间表,1,1,1,1,30,2.写出微操作命令的最简表达式,C4=FET2+,C0=FET0+,C1=FET0+,C3=FET2+,C12=EXT2(LDA+)+,C2=FET1+EXT1(LDA+)+,31,3.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,HLTA,MUL,STA,T1,（RISC）,32,33,10.2微程序设计,一、微程序设计思想的产生,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,00010010,一条机器指令对应一个微程序,存入存储器(控制存储器),按节拍组合,34,1.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,模型机指令系统：,模型机指令系统微程序：取指周期1个执行周期6个,36,2.控制存储器模型：,M+1,M,M+2,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,微地址,微指令,占用存储单元个数即微操作节拍数,37,3、微程序控制单元工作原理,下地址,起始,38,4.微指令基本格式：,微命令(微指令),下地址,门控信号、操作方式控制,软件：下地址字段硬件：逻辑电路,控存容量?,顺序控制,操作控制,控存程序计数器CMAR,39,三、微指令的编码方式（控制方式）,1.直接编码（直接控制）方式,每一位代表一个微操作命令。,速度最快,(操作控制字段编码方式),40,2.字段直接编码方式,每个字段中的命令是互斥,微程序执行速度较慢,显式编码,保留一个代码组合表示本字段不发命令,41,3.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,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：,例10.4P408例10.7P419,43,四、微指令序列地址的形成,(顺序控制字段编码方式),44,1.微指令的下地址字段指出-软件方式,2.根据机器指令的操作码形成-软件或硬件方式,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,45,5.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,46,微指令序列地址形成原理图：,地址选择,+1,微程序入口,47,五、模型机微程序设计举例,48,49,50,1、微程序存储模型：,M+1,M,M+2,P+1,P,P+2,对应ADD操作的微程序,?段：17若每段4个节拍？单元：68,P+3,M+3,51,2、微指令格式：,100001,M,直接控制,控存容量?27*24,操作控制,实验四6264：28*24,门控信号+操作方式控制：24位,52,3、下地址的形成,CMAR,+1,00H-RD,控存,+1,0,+2,P+1,Q,Q+2,P,P+2,Q+1,取指周期微程序,Q+1,Q+2,0,+1,+2,P+1,P+2,0,K+1,K+2,0,K,K+2,K+1,实验四：74LS163,00H-RD,按操作码散转,53,00I7I6I5I411,按操作码散转:,0000ADD03H0001SUB07H1111HALT3FH,-LD,54,55,实验准备：实验四微程序控制单元实验,实验时间：1学时,实验准备：实验五模型机实验,实验时间：3学时,56,57,58,六、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,59,3.两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.,60,七、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.,八、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