控制单元的设计教案

1、计算机组成原理第十章控制单元的设计主要内容： 控制单元的设计方法微程序设计及控制单元。目的：掌握控制单元设计思路和基本原则、步骤。重点内容：（ 1）组合逻辑设计；（ 2）微操作的节拍安排和基本原则；（ 3） 组合逻辑设计步骤。基本讲授内容：（1）组合逻辑控制单元；（2）节拍安排的基本原则和典型微操作节拍：a. 取指周期节拍安排b. 间址周期节拍安排c. 中断周期节拍安排d. 执行周期节拍安排（略讲） ）；（3）组合逻辑设计步骤：a. 微操作操作时间表b. 最简逻辑表达式c. 操作命令逻辑图(4) 微程序设计a. 微程序控制单元基本工作原理b.微指令的编码方式 c. 微指令序列地址形成d. 微指

2、令格式e. 静态微程序和动态微程序（略）1计算机组成原理10.1组合逻辑设计1 组合逻辑控制单元框图图 1 为简化的控制单元框图。存放在 ir 的 n 位操作码经过一个译码电路产生 2“个输出，每对应一种操作码都有一个输出送至 cu。控制单元的时钟输入实际上是一个脉冲序列，其频率即为机器的主频，它使 cu能按一定的节拍（ t）发出各种控制信号。以时钟为计数脉冲，通过一个计数器（又称节拍发生器）便可产生一个与时钟周期等宽的节拍序列。图 1 带译码和节拍输入的控制单元框图2 微操作的节拍安排假设机器采用同步控制，每个机器周期包含 3 个节拍，而且 cpu内部结构如图 93 所示，其中 mar和 m

3、dr分别直接和地址总线和数据总线相连，并假设 ir 的地址码部分与 mar之间有通路。2计算机组成原理控制信号图 9.3 未采用 cpu内部总线方式的数据通路和控制信号安排微操作节拍时应注意三点：第一，有些微操作的次序是不容改变的，故安排微操作节拍时必须注意微操作的先后顺序。第二，凡是被控制对象不同的微操作，若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，以节省时间。第三，如果有些微操作所占的时间不长，应该将它们安排在一个节拍内完成，并且允许这些微操作有先后次序。按上述三条原则，以 91 所分析的 10 条指令为例，其微操作的节拍安排如下：1）、取指周期微操作的节拍安排根据原则二， t0 节

4、拍安排两个微操作： pcmar，1r；根据原则二， t1 节拍安排两个微操作：m(mar)mdr和(pc)+1pct2 节拍安排 mdrir，可同时安排指令译码op(ir) id(pc)+1pc操作也可安排在t2 节拍内，因 pcmar后，pc的内容就可修改。2）、间址周期微操作的节拍安排t0：ad(ir) mar，l r3计算机组成原理t1：m(mar)mdrt2：mdrad(ir)3）、执行周期微操作的节拍安排? 非访存指令 清除累加器指令 cla。该指令在执行周期只有一个微操作，按同步控制的原则，此操作可安排在 t0t2 的任一节拍内，其余节拍空，如t0t1t2 0 ac 累加器取反指令

5、com累加器取反操作可安排在t0 t2 的任一节拍中，即t0t1t2 ac ac 算术右移一位指令shrt0t1t2 l(ac) r(ac)，ac0ac0 循环左移一位指令cslt0t1t2 r(ac) l(ac)，ac0acn 停机指令 stpt0t1t2 o g? 访存指令 加法指令 addxt0 ad(ir)mar，1r4计算机组成原理t1 m(mar)mdrt2 (ac)+(mdr) ac（实际含 (ac)alu，(mdr)alu，alu ac） 存数指令 staxt0 ad(ir)mar，1wt1 ac mdrt2 mdrm(mar) 取数指令 ldaxt0 ad(ir)mar，1r

6、t1 m(mar)mdrt2 mdrac? 转移类指令 无条件转移指令 jmpxt0t1t2 ad(ir)pc 有条件转移 ( 负则转 ) 指令 banxt0t1t2 a 0?ad(ir) a0?(pc) pc4）、中断周期微操作的节拍安排cpu进入中断周期， 由中断隐指令完成下列操作 （假设程序断点存入主存 0 号地址单元内）：t0 0 mar，1wt1 pc mdrt2 mdrm(mar)，向量地址 pccpu进入中断周期，由硬件将允许中断触发器eint 置为“ 0”。3 组合逻辑设计步骤组合逻辑设计控制单元步骤：? 根据上述微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时间表；5计算机组成原理?

7、 写出每一个微操作命令 ( 控制信号 ) 的逻辑表达式；? 根据逻辑表达式画出相应的组合逻辑电路图。1）、列出微操作命令的操作时间表表 1 列出了上述 10 条机器指令微操作命令的操作时间表。表中：fe、ind 和 ex为 cpu工作周期标志， t0 t2 为节拍， i 为间址标志。工作周期标记fe( 取指 )ind( 间址 )ex( 执行 )表 1操作时间表状态微操作命令信号calcom shrcslstpaddsatldajmpban节拍条件t0pc mar11111111111 r1111111111t1m(mar) mdr1111111111(pc)+1 pc1111111111mdr

8、 ir1111111111t2op(m) id11111111111 ind11111ii1 ex1111111l1lt0ad(ir) mar111111一 r11111t1m(mar) mdr11111t2mdr ad(ir)111111 ex11111/indt0ad(ir) mar1111 r111 w1t1m(mar) mdr11(ac) mdr1(ac)+(mdr) ac1mdr m(mar)1mdr ac10 ac1/ac ac1t2r(ac) l(ac) ，1aco不变 -1 (ac)1ad(ir) pc1aoad(ir) pc!o g16计算机组成原理2）、写出微操作命令的最简

9、逻辑表达式根据表 10.1 可列出每一个微操作命令的初始逻辑表达式，经化简、整理便可获得能用现成电路实现的微操作命令逻辑表达式。例如，根据表可写出m(mar)mdr微命令的逻辑表达式：m(mar)mdrfe?t1+ind?t1(add+sta十 lda+jmp+ban)+ex?t1(add+lda)t1fe+ind(add+sta+lda+jmp+ban)+ex(add+lda)式中 add、sta、lda、jmp、ban均来自操作码译码器的输出。3）、画出微操作命令的逻辑图对应每一个微操作命令的逻辑表达式都可画出一个逻辑图。如m(mar) mdr的逻辑表达式所对应的逻辑图如图 10.2 所示

10、，图中未考虑门的扇入系数。图 2 产生 m(mar)mdr命令的逻辑图组合逻辑设计方法的特点：? 思路清晰，简单明了；? 每一个微操作命令都对应一个逻辑电路；? 线路结构十分庞杂，也不规范；? 指令系统功能越全，线路也越复杂，调试越困难。7计算机组成原理10.2微程序设计1 微程序设计思想的产生微程序设计思想由英国剑桥大学教授m.v.wilkes 在 1951 年提出。? 设想采用与存储程序类似的办法解决微操作命令序列的形成；? 将一条机器指令编写成一个微程序，每一个微程序包含若干条微指令，每一条微指令对应一个或几个微操作命令。? 微指令以二进制代码形式表示，每位代表一个控制信号；? 微程序存

11、于控制存储器（简称控存） ；优点：? 设计更简便，无需化简逻辑表达式，无需考虑逻辑门级数和门的扇入系数。? 修改微指令代码就可改变操作内容，便于调试、修改和仿真。2 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一条机器指令对应一个微程序（微操作命令序列）。控制存储器mm+1m+1m+2取指周期微程序m+2间址周期微程序转执行周期微程序中断周期微程序转取指周期微程序pp+1p+1p+2对应 lda操作的微程序p+2mqq+1q+1q+2对应 add操作的微程序q+2mkk+1k+1k+2对应 sta操作的微程序k+2m8计算机组成原理jj+1j+1m对应 jmp操作的微程序图 3 不

12、同机器指令所对应的微程序? 每一条机器指令都与一个微程序对应。? 取指周期、间址周期和中断周期的操作编成独立的微程序；（2）微程序控制单元的基本框图标志clk图 4 微程序控制单元的基本组成操作控制顺序控制图 5微指令的基本格式（3）、工作原理假设有一个用户程序如下所示（存在2000h开设的主存空间内）ldaxaddy9计算机组成原理stazstp微程序控制单元的工作原理：首先将用户程序的首地址送至pc，然后进入取指阶段。(1) 取指阶段将取指周期微程序首地址 mcmar：取微指令，将对应控存 m 地址单元中的第一条微指令读到控存数据寄存器中，记作cm(cmar)cmdr：产生微操作命令；第一

13、条微指令的操作控制字段中为“l ”的各位发出控制信号，如pcmar，l r，命令主存接受程序首地址并进行读操作。形成下一条微指令的地址：微指令的顺序控制字段指出了下一条微指令的地址为m+1，将 m+1送至cmar。取下一条微指令；将控存 m+1地址单元的第二条微指令读到cmdr中，即cm(cmar)cmdr产生微操作指令；由第二条微指令的操作控制字段中对应“ 1”的各位发出控制信号，如m(mar)mdr使对应主存 2000h地址单元中的第一条机器指令从主存中读出送至 mdr中。形成下一条微指令的地址：将第二条微指令下地址字段指出的地址m+2送至 cmar，即ad(cmdr)cmar如此类推，直

14、到取出取指周期最后一条微指令，并发出微命令为止，此时第一条机器指令 lda x 已存至指令寄存器 ir 中。(2) 执行阶段取数指令微程序首地址的形成：当取数指令存入 ir 后，其操作码 op(ir) 直接送到微地址形成部件， 该10产生微操作命令：如此类推，直到取出取数指令微程序的最后一条微指令计算机组成原理部件的输出即为取数指令微程序的首地址p，且将 p送至 cmar，记作 op(ir) cmar取微指令；将对应控存 p 地址单元中的微指令读到 cmdr中，即cm(cmar) cmdr产生微操作命令；由微指令操作控制字段中对应 “1”的各位发出控制信号， 如 ad(ir) mar，1r，命

15、令主存读操作数。形成下一条微指令的地址；将此条微指令下地址字段指出的 p+1送至 cmar，即 ad(cmdr)cmar 取微指令，即 cm(cmar)cmdr：p+2，并发出微命令，至此即完成了将主存x 地址单元中的操作数取至累加器ac的操作。自此可见，对微程序控制单元的控存而言，内部信息一旦按所设计的微程序被灌注后， 在机器运行过程中，只须具有读出的性能即可，故可采用 rom 实现。3 微指令的编码方式微指令的编码方式又叫微指令的控制方式，它是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号。（1）、直接编码 ( 直接控制 ) 方式? 在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微命令，这种编

16、码方式即为直接编码方式。? 控制字段中的某位为“ l ”表示控制信号有效，某位为“ 0”表示控制信号无效。? 特点含义清晰，但机器中微命令较多，可能使微指令操作控制字段达几百位，造成控存容量极大。控制信号11计算机组成原理下地址操作控制图 6 直接编码方式（2）、字段直接编码方式将微指令的操作控制字段分成若干段，每一段为一个微命令的编码，通过对字段译码后产生微命令。? 采用编码技术可以缩短微指令的长度。? 同一组的微命令相互排斥，不能并行。? 需要译码电路，使微程序的执行速度稍微减慢。（3）、字段间接编码方式与字段直接编码方式类似，但一个字段的某些微命令还需由另一个字段中的某些微命令来解释。特

17、点：可以进一步缩短微指令字长，但因削弱了微指令的并行控制能力，因此通常用作字段直接编码法的一种辅助手段。控制信号译码译码译码字段 1字段 2字段 3下地址操作控制图 7 宇段直接编码方式控制信号控制信号12计算机组成原理译码译码译码字段 1字段 2字段 n下地址操作控制图 8 字段间接编码方式4、混合编码这种方法是把直接编码和字段编码( 直接或间接 ) 混合使用，以便能综合考虑微指令的字长、灵活性和执行微程序的速度等方面的要求。5、其他微指令中还可设置常数字段，用来提供常数、计数器初值等。常数字段还可以和某些解释位配合， 如解释位为 0，表示该字段提供常数； 解释位为 1，表示该字段提供某种命

18、令，使微指令更灵活。4 微指令序列地址的形成主要有两种常用方式：（1）、直接由微指令的下地址字段指出（2）、根据机器指令的操作码形成当机器指令取至指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成。微地址形成部件实际是一个编码器，其输入为指令操作码，输出就是对应该机器指令微程序的首地址。它可采用 prom实现，以指令的操作码作为 prom的地址，而相应的存储单元内容就是对应该指令微程序的首地址。（3）、增量计数器法对于地址连续的微指令可采用增量计数方法，即 (cmar)+1cmar来形成后继微指令的地址。13计算机组成原理（4）、分支转移当遇到条件转移指令时，微指令出现了分支，必须根据各种标志来决定下一条微指令的地址。微指令的格式为：其中转移方式是指明判别条件，转移地址是指明转移成功后的去向，若不成功则顺序执行。也有的转移微指令中设两个转移地址，条件满足时选择其中一个转移地址：条件不满足时选择另一个转移