计算机组成原理(唐朔飞高教第2版)(9-10章)

1、1 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能完成一条指令分完成一条指令分 4 个工作周期个工作周期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2 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能一、取指周期一、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存储器存储器CPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线OP（IR） CU3 2021年年12月月7日日 计算

2、机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能二、间址周期二、间址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线IR存储器存储器4 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、执行周期三、执行周期1. 非访存指令非访存指令(1) CLA 清清A(2) COM 取反取反(4) CSL 循环左移循环左移(3) SHR 算术右移算术右移(5) STP 停机指令停机指令0 AC

3、CACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G5 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 访存指令访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC Ad(IR) MAR1 WACC MDRMDR M(MAR)STA XADD X(2) 存数指令存数指令(1) 加法指令加法指令6 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(3) 取数指令取数指令Ad ( IR )

4、 MAR1 RM ( MAR ) MDRMDR ACC 3. 转移指令转移指令(1) 无条件转无条件转(2) 条件转移条件转移Ad ( IR ) PCA0 Ad ( IR ) + A0 ( PC ) PCLDA XJMP XBAN X（负则转）（负则转）7 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能4. 三类指令的指令周期三类指令的指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期非访存非访存 指令周期指令周期直接访存直接访存 指令周期

5、指令周期间接访存间接访存 指令周期指令周期转移转移 指令周期指令周期取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期间接转移间接转移 指令周期指令周期8 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能四、中断周期四、中断周期程序断点存入程序断点存入 “ 0 ” 地址地址程序断点程序断点 进栈进栈0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址向量地址 PC0 EINT（置置“0”）0 EINT（置置“0”）向量地址向量地址 PCMDR M ( MAR )PC MDR1 W中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC( S

6、P ) 1 MAR9 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能一、控制单元的外特性一、控制单元的外特性指令寄存器指令寄存器控制单元控制单元 CU时钟时钟标志标志CPU 内部的控制信号内部的控制信号到系统总线的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线系统总线10 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能1. 输入信号输入信号(1) 时钟时钟(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外来信号外来信号(3) 标志标志CU 受时钟控制受时钟控制控制信

7、号控制信号 与操作码有关与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志控制受标志控制INTR 中断请求中断请求HRQ 总线请求总线请求一个时钟脉冲一个时钟脉冲 发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令如如11 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 输出信号输出信号(1) CPU 内的各种控制信号内的各种控制信号(2) 送至控制总线的信号送至控制总线的信号Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA访存控制信号访存控制信号访访 IO/ 存储器的控制信号存储器的控制信号读命令读命令写命

8、令写命令中断响应信号中断响应信号总线响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU 、与、或、与、或12 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能二、控制信号举例二、控制信号举例PCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号C0C1C2C3C4取指周期取指周期以以 ADD X 为例为例PCIRCU1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A R13 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单

9、元的功能PCIRACCU时钟时钟ALU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 R二、控制信号举例二、控制信号举例1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式C1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期IR M D R M D R M A R14 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能PCIRACCU时钟时钟ALU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 R二、控制信号举例二、控制信号举例1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式C1C2C5ADD X 执行周期执行周

10、期C7C6C8ACALU控制控制信号信号 M D R M A R M D R15 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能MDRMDRCU(1) ADD X 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2. 采用采用 CPU 内部总线方式内部总线方式地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCP

11、CMDRMARCUIRPCPCCU16 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(2) ADD X 间址周期间址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 数据线数据线数据线数据线时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ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MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU17 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算

12、机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDROMDRO(3) ADD X 执行周期执行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信号控制信号MARMDR地址线地址线 地址线地址线 数据线数据线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACACOACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU18 2021年年12月月7日日 计算机组成原

13、理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、多级时序系统三、多级时序系统1. 机器周期机器周期(1) 机器周期的概念机器周期的概念(2) 确定机器周期需考虑的因素确定机器周期需考虑的因素(3) 基准时间的确定基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行每条指令的执行 步骤步骤每一步骤每一步骤 所需的所需的 时间时间 以完成以完成 最复杂最复杂 指令功能的时间指令功能的时间 为准为准 以以 访问一次存储器访问一次存储器 的时间的时间 为基准为基准若指令字长若指令字长 = 存储字长存储字长取指周期取指周期 = 机器周期机器周期19

14、 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 一个机器周期内可完成若干个微操作一个机器周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间每个微操作需一定的时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间将一个机器周期分成若干个时间相等的将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（时间段（节拍、状态、时钟周期节拍、状态、时钟周期）用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令20 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原

15、理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期2. 时钟周期时钟周期（节拍、状态）（节拍、状态） 机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T321 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 多级时序系统多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统一个指令周期包含若干个机器周期一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期一个机器周期包含若干个时钟周期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

16、）（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T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态) 节拍节拍(状态状态)22 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能4. 机器速度与机器主频的关系机器速度与机器主频的关系机器的机器的 主频主频 f 越快越快 机器的机器的 速度也越快速度也越快在机器周期所含时钟周期数在机器周期所含时钟周期数 相同相同 的前提下，

17、的前提下，两机两机 平均指令执行速度之比平均指令执行速度之比 等于等于 两机主频之比两机主频之比机器速度机器速度 不仅与不仅与 主频有关主频有关 ，还与机器周期中所含，还与机器周期中所含时钟周期时钟周期（主频的倒数）（主频的倒数）数数 以及指令周期中所含以及指令周期中所含的的 机器周期数有关机器周期数有关MIPS1MIPS2=f1f223 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能四、控制方式四、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

18、均由 统一基准时标统一基准时标 的时序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T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用采用 定长定长 的机器周期的机器周期以以 最长最长 的的 微操作序列微操作序列 和和 最繁最繁 的微操作作为的微操作作为 标准标准机器周期内机器周期内 节拍数相同节拍数相同24 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(2) 采用不定长的机器周期采用不定长的机器周期机器周期机器

19、周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 节拍节拍(状态状态)机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延长机器周期内机器周期内 节拍数不等节拍数不等25 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍中央控制节拍 T3T0T1中央控制节拍中央控制节拍机器周期机器周期执行周期执行周期指令

20、周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍26 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 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(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(3) 符合停机开关符合停机开关同步与

21、异步相结合同步与异步相结合27 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能五、多级时序系统实例分析五、多级时序系统实例分析1. 8085 的组成的组成A15A8中断控制中断控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8） D（8）C（8） B（8） 指令译码指令译码 和和 机器周期机器周期 编码编码ALU定时和控制定时和控制 时钟时钟控制控制状态状态 DMA复位复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线位内部数据总线I/O控制控制INTAINTRSIDSODCLKReady

22、RD WR ALEIO/MHLDAReset outAD7AD028 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 8085 的外部引脚的外部引脚(1) 地址和数据信号地址和数据信号(2) 定时和控制信号定时和控制信号(3) 存储器和存储器和 I/O 初始化初始化A15A8 AD7AD0SID SOD入入 X1 X2入入 HOLD Ready出出 HLDA出出 CLK ALE S0 S1 IO/M RD WR1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252

23、4232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A829 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(4) 与中断有关的信号与中断有关的信号(5) CPU 初始化初始化(6) 电源和地电源和地出出 INTATrap 重新启动中断重新启动中断入入 INTR入入 Reset in出出 Rese

24、t outVCC +5 VVSS 地地12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2Reset outSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)Rsest inReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A830 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 机器周期和节拍（状

25、态）与控制信号的关系机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系T1T2T3T4T1T2T3T1T2T3M1M2M3PC outPC+1 Ins IRXPC outPC+1By ZZ outAPort IO PORTACCbytePCLInstrPCLPCHPCHIO PORT3MHZCLKA15A8AD7AD0ALERDWRIO/M31 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能小结小结每个每个 控制控制 信号信号在在 指定机器周期指定机器周期 的的指定节拍指定节拍 T 时刻时刻 发出发出机器周期机器周期 M1 取指令操作码取指令操作码机器

26、周期机器周期 M2 取设备地址取设备地址机器周期机器周期 M3 执行执行 ACC 的内容写入设备的内容写入设备以一条输出指令（以一条输出指令（I/O 写写）为例）为例32 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计10.2 微程序设计微程序设计33 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能一、组合逻辑控制单元框图一、组合逻辑控制单元框图1. . CU 外特性外特性IR节拍发生器节拍发生器CUT0T1TnCLK（机器主频）（机器主频）标志标志0

27、12n-1C0C1Cn操作码译码操作码译码n 位操作码位操作码34 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. .节拍信号节拍信号CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T335 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能二、微操作的节拍安排二、微操作的节拍安排采用采用 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

28、期）PCIRACCU时钟时钟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 R36 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能1. 安排微操作时序的原则安排微操作时序的原则原则一原则一 微操作的微操作的 先后顺序不得先后顺序不得 随意随意 更改更改原则二原则二 被控对象不同被控对象不同 的微操作的微操作 尽量安排在尽量安排在 一个节拍一个节拍 内完成内完成原则三原则三 占用占用 时间较短时间较短 的微操作的微操作 尽量尽量 安排在安排在 一个节拍一个节拍 内完

29、成内完成 并并允许有先后顺序允许有先后顺序37 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 取指周期取指周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原则二原则二原则二原则二原则三原则三3. 间址周期间址周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R38 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元

30、的功能控制单元的功能4. 执行周期执行周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC39 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能 CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( M

31、AR )1 R1 W40 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能 LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC PC41 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能5. 中断周期中断周期 微操作的微操作的 节拍安排节拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件关中断硬件关中断向量地址向量地址

32、PC中断隐指令完成中断隐指令完成1 W42 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA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PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII间址特征间址特征43 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能

33、三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 IND 间址间址JMPLDASTAADDCOMCLA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Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND间址周期标志间址周期标志44 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能T2T1T0 EX执行执行 JMPLDASTAADDCOMCLA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Ad (IR) MAR1 R

34、M(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表1 W45 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA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PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID

35、1 IND1 EXII111111111111111111111111111111111111111111111146 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 IND 间址间址JMPLDASTAADDCOMCLA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Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND1111111111111111111147 2021年年12月月7日日 计算

36、机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、组合逻辑设计步骤三、组合逻辑设计步骤1. 列出操作时间表列出操作时间表T2T1T0 EX执行执行 JMPLDASTAADDCOMCLA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Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W111111111111148 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 写出微操作命令的最简表达式写出微操作命令的最

37、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 ) 49 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 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&1FEINDEXLDAADDJMP

38、BANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&50 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能一、微程序设计思想的产生一、微程序设计思想的产生1951 英国剑桥大学教授英国剑桥大学教授 Wilkes 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存储逻辑存储逻辑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入 ROM51 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理

39、 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能二、微程序控制单元框图及工作原理二、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机器指令对应的微程序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52 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 微程序控制单元的基本框图微程序控制单元的基本框图 微地址微地址 形成部件形成部件顺序逻辑顺序逻辑CMAR地址译码地址译码控制

40、存储器控制存储器标志标志CLK下地址下地址CMDR至至 CPU 内部和系统总线的控制信号内部和系统总线的控制信号 OPIR顺序控制顺序控制操作控制操作控制微指令基本格式微指令基本格式53 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能二、微程序控制单元框图及工作原理二、微程序控制单元框图及工作原理M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序对应对应 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间址周期 微程序微程序中断周期中断周期 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K

41、+2MM转执行周期微程序转执行周期微程序转取指周期微程序转取指周期微程序54 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 工作原理工作原理LDA XADD YSTA Z主存主存STP用户程序用户程序控存控存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+155 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第

42、第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 工作原理工作原理(1) 取指阶段取指阶段M CMARCM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令形成下条微指令地址形成下条微指令地址Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令M + + 1M + + 2PC MAR1 RM ( MAR ) MDR( PC ) + + 1 PCMDR IR1 0 0 0 0 1M+ +1M0 1 0 0 1 0M+ +2M + + 1形成下条微指令地址形成下条微指令地址

43、执行取指微程序执行取指微程序0 0 1 0 0 0 0M + + 256 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(2) 执行阶段执行阶段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令Ad (CMDR ) CMARCM (CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令OP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR( P CMAR )Ad (CMDR ) CMARAd ( IR ) MAR1 RM ( MAR ) MDR

44、MDR AC0 0 0 0 0 0 1 0P + + 2 M执行执行 LDA 微程序微程序 形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P + + 1形成下条微指令地址形成下条微指令地址 P + + 2形成下条微指令地址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+ +1P57 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(3) 取指阶段取指阶段CM ( CMAR ) CMDR由由 CMDR 发命令发命令M CMAR PC MAR1 R全部微指令存在全部微指令存在 CM 中中，

45、程序执行过程中，程序执行过程中 只需读出只需读出关键关键 微指令的微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令操作控制字段如何形成微操作命令 微指令的微指令的 后续地址如何形成后续地址如何形成执行取指微程序执行取指微程序1 0 0 0 0 1M+ +1M58 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能三、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 在微指令的操作控制字段中，在微指令的操作控制字段中， 每一位代表一个微操作命令每一位代表一个微操作命令速度最快速度最快下地址

46、下地址控制信号控制信号操作控制操作控制某位为某位为 “1” 表示该控制信号有效表示该控制信号有效59 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能2. 字段直接编码方式字段直接编码方式将微指令的控制字段分成若干将微指令的控制字段分成若干 “段段”，每段经译码后发出控制信号每段经译码后发出控制信号每个字段中的命令是每个字段中的命令是 互斥互斥 的的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缩短缩短 了微指令了微指令 字长字长，增加增加 了译码了译码 时间时间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60

47、2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 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61 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能四、微指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成1. 微指令的微指令的 下地址字段下地址字段 指出指出

48、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62 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能5. 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 硬件硬件 产生产生

49、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HL63 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能7. 后续微指令地址形成方式原理图后续微指令地址形成方式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64 2021年年12月月7

50、日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能五、微指令格式五、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能65 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能3. 两种微指令格式的比较两种微指令格式的

51、比较(1) 水平型微指令比垂直型微指令水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力强并行操作能力强 ， 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水平型微指令执行一条机器指令所要的 微指令微指令 数目少，速度快数目少，速度快(3) 水平型微指令水平型微指令 用较短的微程序结构换取较长的用较短的微程序结构换取较长的 微指令结构微指令结构(4) 水平型微指令与机器指令水平型微指令与机器指令 差别大差别大66 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能六、静态微程序设计和动态微程序设计六、静态微程序设计和动态微程序设计静态静态 微

52、程序无须改变，采用微程序无须改变，采用 ROM动态动态 通过通过 改变微指令改变微指令 和和 微程序微程序 改变机器指令，改变机器指令， 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROM七、毫微程序设计七、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 用用 微程序解释机器指令微程序解释机器指令毫微程序设计毫微程序设计 用用 毫微程序解释微程序毫微程序解释微程序毫微指令与微指令毫微指令与微指令 的关系好比的关系好比 微指令与机器指令微指令与机器指令 的关系的关系67 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的

53、功能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）水平型微指令水平型微指令控制信号控制信号CMDR268 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能八、串行微程序控制和并行微程序控制八、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

54、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串行 微程序控制微程序控制并行并行 微程序控制微程序控制69 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能还需考虑还需考虑 如何读出如何读出 这这 3 条微指令条微指令 ?1. 写出对应机器指令的微操作及节拍安排写出对应机器指令的微操作及节拍安排假设假设 CPU 结构与组合逻辑相同结构与组合逻辑相同(1) 取指阶段微操

55、作分析取指阶段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件九、微程序设计举例九、微程序设计举例1 R若一个若一个 T 内安排一条微指令内安排一条微指令则取指操作需则取指操作需 3 条微指令条微指令3 条微指令条微指令Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件 CMAR70 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(2) 取指阶段的微操作及节拍安排取指阶段的微操作及节拍安排考虑到需要考虑到需要 形成

56、后续微指令的地址形成后续微指令的地址T0T1T2T3T4T51R( PC )+1PCOP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件MARPCCMARAd ( CMDR )MDRM ( MAR )CMARAd ( CMDR )IRMDRCMAROP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件71 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能(3) 执行阶段的微操作及节拍安排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考虑到需形成后续微指令的地址取指微程序的入口地址取指微程序的入口地址 M由微指令下地址字段指出由微指令下地址字段指出 非访存指令非访存指令 CLA 指令指令T0T1 COM 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR )AC072 2021年年12月月7日日 计算机组成原理计算机组成原理 第第九九章章 控制单元的功能控制单元的功能 CSL 指令指令T0T1 STP 指令指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令指令T0