第10章教案.docx

第10章教案.docx

《第10章教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章教案.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第10章教案

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.微指令格式

e.静态微程序和动态微程序（略）

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9．3所示，其中MAR和MDR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。

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9．1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

①根据原则二，T0节拍安排两个微操作：

PC→MAR，1→R；

②根据原则二，T1节拍安排两个微操作：

M（MAR）→MDR和（PC）+1→PC

③T2节拍安排MDR→IR，可同时安排指令译码OP（IR）→ID

（PC）+1→PC操作也可安排在T2节拍内，因PC→MAR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→R

T1：

M（MAR）→MDR

T2：

MDR→Ad（IR）

3）、执行周期微操作的节拍安排

•非访存指令

①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T0－T2的任一节拍内，其余节拍空，如

T0

T1

T20→AC

②累加器取反指令COM

累加器取反操作可安排在T0－T2的任一节拍中，即

T0

T1

T2AC→AC

③算术右移一位指令SHR

T0

T1

T2L（AC）→R（AC），AC0→AC0

④循环左移一位指令CSL

T0

T1

T2R（AC）→L（AC），AC0→ACn

⑤停机指令STP

T0

T1

T2O→G

•访存指令

⑥加法指令ADDX

T0Ad（IR）→MAR，1→R

T1M（MAR）→MDR

T2（AC）+（MDR）→AC（实际含（AC）→ALU，（MDR）→ALU，ALU→AC）

⑦存数指令STAX

T0Ad（IR）→MAR，1→W

T1AC→MDR

T2MDR→M（MAR）

⑧取数指令LDAX

T0Ad（IR）→MAR，1→R

T1M（MAR）→MDR

T2MDR→AC

•转移类指令

⑨无条件转移指令JMPX

T0

T1

T2Ad（IR）→PC

⑩有条件转移（负则转）指令BANX

T0

T1

T2A0•Ad（IR）＋A0•（PC）→PC

4）、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）：

T00→MAR，1→W

T1PC→MDR

T2MDR→M（MAR），向量地址→PC

CPU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；

•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。

表1操作时间表

工作周

期标记

节拍

状态条件

微操作命令信号

CAL

COM

SHR

CSL

STP

ADD

SAT

LDA

JMP

BAN

FE

（取指）

T0

PC→MAR

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1→R

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

T1

M（MAR）→MDR

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

（PC）+1→PC

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

T2

MDR→IR

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

OP（m）→ID

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

I

1→IND

1

1

1

1

1

I

1→Ex

1

1

1

1

1

1

1

l

1

l

IND

（间址）

T0

Ad（IR）→MAR

1

1

1

1

1

1一R

1

1

1

1

1

T1

M（MAR）→MDR

1

1

1

1

1

T2

MDR→Ad（IR）

1

1

1

1

1

/IND

1→EX

1

1

1

1

1

EX

（执行）

T0

Ad（IR）→MAR

1

1

1

1→R

1

1

1→W

1

T1

M（MAR）→MDR

1

1

（AC）→MDR

1

T2

（AC）+（MDR）→AC

1

MDR→M（MAR）

1

MDR→AC

1

0→AC

1

/AC→AC

1

R（AC）→L（AC），ACo不变

1

ρ-1（AC）

1

Ad（IR）→PC

1

Ao

Ad（IR）→PC

!

O→G

1

2）、写出微操作命令的最简逻辑表达式

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）→MDR

＝FE•T1+IND•T1（ADD+STA十LDA+JMP+BAN）+EX•T1（ADD+LDA）

＝T1{FE+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，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。

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

M

M+1

M+1

M+2

取指周期微程序

M+2

…

转执行周期微程序

间址周期微程序

…

转取指周期微程序

中断周期微程序

P

P+1

P+1

P+2

对应LDA操作的微程序

P+2

M

Q

Q+1

Q+1

Q+2

对应ADD操作的微程序

Q+2

M

…

K

K+1

K+1

K+2

对应STA操作的微程序

K+2

M

J

J+1

对应JMP操作的微程序

J+1

M

…

图3不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

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）

LDAX

ADDY

STAZ

STP

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

①将取指周期微程序首地址M→CMAR：

②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：

③产生微操作命令；

第一条微指令的操作控制字段中为“l”的各位发出控制信号，如PC→MAR，l→R，命令主存接受程序首地址并进行读操作。

④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。

⑤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

⑥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。

⑦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LDAX已存至指令寄存器IR中。

（2）执行阶段

①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．

②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

③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，1→R，命令主存读操作数。

④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

⑤取微指令，即CM（CMAR）→CMDR：

⑥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

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

图7宇段直接编码方式

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）+1→CMAR来形成后继微指令的地址。

（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地址。

（5）、通过测试网络形成

微指令的地址还可通过测试网络形成，如图10．9所示。

图中微指令的地址分两部分，高段h为非测试地址，由微指令的H段地址码直接形成；低段l为测试地址，由微指令的L段地址码通过测试网络形成。

（6）、微程序入口地址

当电源加电后，第一条微指令的地址可由专门的硬件电路产生，也可由外部直接向CMAR输入微指令的地址，这个地址即为取指周期微程序的入口地址。

5微指令格式

（1）水平型微指令

水平型微指令的特点是一次能定义并执行多个并行操作的微命令。

从编码方式看，直接编码、字段直接编码、字段间接编码以及直接和字段混合编码都属水平型微指令。

其中直接编码速度最快，字段编码要经过译码，故速度受影响。

（2）垂直型微指令

垂直型微指令的特点是采用类似机器指令操作码的方式，在微指令字中，设置微操作码字段，由微操作码规定微指令的功能。

通常一条微指令有1－2个微命令，控制1—2种操作。

这种微指令不强调其并行控制功能。

（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，效率高，灵活性强。

2）水平型微指令执行一条机器指令所需的微指令数目少，因此速度比垂直型微指令快。

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，垂直型微指令正相反，它以较长的微程序结构换取较短的微指令结构

4）水平型微指令与机器指令差别较大，垂直型微指令与机器指令较为类似。