计算机组成原理控制单元

1、4.1 操作命令的分析操作命令的分析4.2 控制单元的功能控制单元的功能4.3 组合逻辑设计组合逻辑设计4.4 微程序设计微程序设计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

2、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 ACCACC ACCL(ACC) R(ACC), ACC0 ACC0R(ACC) L(ACC), ACC0 ACCn0 G2. 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

3、(2) 存数指令存数指令(1) 加法指令加法指令(3) 取数指令取数指令Ad ( IR ) 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）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 指令周期指令周期间接访

4、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( SP ) 1 MAR中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC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

5、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

6、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、或二、多级时序系统二、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

7、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）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

8、机器周期T0T1T2T3T0T1T2T33. 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含若干个机器周期一个指令周期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）（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

9、状态) 节拍节拍(状态状态)三、控制方式三、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 完全统一完全统一 的机器周期和节拍的机器周期和节拍以以 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(

10、2) 采用不同节拍的机器周期采用不同节拍的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）（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(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T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍 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周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控

11、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异步相结合同步与异步相结合小结小结每个每个 控制控制 信号信号在在 指定机器周期指定机器周期 的的指定节指定节拍拍 T 时刻时刻 发出发出.一、组合逻辑控制单元框图一、组合逻辑控制单元框图 C

12、U 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 12n-1C0C1Cn操作码译码操作码译码n 位操作码位操作码二二. .微操作的节拍安排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（时钟周期） M D RPC M A RIRACCU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

13、 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 内完成内完成 并并允许有先后顺序允许有先后顺序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）T0T1T2T0T1T

14、21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R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 JMPLDASATADDCOMCLA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 EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、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JMP

15、LDASATADDCOMCLA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 EXIND11111111111111111111三、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 JMPLDASATADDCOMCLA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 W111111111

16、11112. 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= 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 ) 3. 画出逻辑图画出逻辑图特点特点 思路清晰思路清晰 简单明了简单明了 庞杂庞杂 调试困难调试困难 修改困难修改困难 速度快速度快&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISC）&a

17、mp;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 ROM二、微程序控制单元框图二、微程序控制单元框图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

18、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操作控制操作控制顺序控制顺序控制微指令基本格式微指令基本格式三、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

19、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

20、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5. 通过测试网络通过测

21、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 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HL7. 后继微指令地址形成方式后继微指令地址形成方式 多路选择多路选择地址地址选择选择+ + 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、