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计算机组成原理笔记第十章

第10章控制单元的设计（简单学习）

10.1 组合逻辑设计

一、组合逻辑控制单元框图

1.外特性

如图1.1所示，CU要发出各种控制命令，这些信号是由先后关系，每个控制信号发出都是有给定时间点，这种时间点是由节拍控制，所以要有节拍发生器。CU要产生什么控制命令与现在执行命令有关系，当前命令保存在IR中，其n位操作码经过操作码译码后才能确定正在执行是哪条指令。译码结果针对每一条指令是一一对应的，输入到CU中。CU发出什么信号还和标志有关系，所以输入还有一系列标志。CU在以上作用下，有输出C0……Ck。C0……Ck可以有1个或多个高电平，多个高电平有两种含义：要么是它们并行，要么是他们在一个周期，但是它们每一个操作都不够一个周期。

图1.1 组合逻辑电路外特性

二、微操作的节拍安排

（1）采用同步控制方式

假设一个机器周期有3个节拍（时钟周期），CPU采用非总线方式。

1.安排微操作时序的原则

原则一：微操作的先后顺序不得随意更改。

原则二：被控对象不同的微操作（可以并行执行的），尽量安排在一个节拍内完成。

原则三：占用时间较短的微操作，尽量安排在一个节拍内完成，并允许有先后顺序。

2.取指周期微操作的节拍安排

T0	PC->MAR, 1->R	原则二
T1	M(MAR)->MDR, (PC)+1->PC	原则二
T2	MDR->Ad(IR), OP(IR)->ID	原则三

3.间址周期微操作的节拍安排

T0	Ad(IR)->MAR, 1->R
T1	M(MAR)->MDR
T2	MDR->Ad(IR)

3.执行周期微操作的节拍安排

①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。如在T2周期内安排（T2: 0->AC）。

2）累加器取反指令COM

同理，按同步控制的原则，此操作可安排在T0-T2的任一节拍。

3）算术右移一位指令SHR

同理，按同步控制的原则，此操作可安排在T0-T2的任一节拍。如在T2周期内安排（L(AC)->R(AC), AC0-AC0）。

4）循环左移一位指令CSL

同理，按同步控制的原则，此操作可安排在T0-T2的任一节拍。如在T2周期内安排（R(AC)->L(AC), AC0->ACn）。

5）停机指令STP

T0
T1
T2	0->G

（2）访存指令

1）加法指令ADD X

T0	Ad(IR)->MAR,1->R
T1	M(MAR)->MDR
T2	(AC)+(MDR)->AC

2）存数指令STA X

T0	Ad(IR)->MAR,1->W
T1	AC->MDR
T2	MDR->M(MAR)

3）取数指令LDA X

T0	Ad(IR)->MAR, 1->R
T1	AC->MDR
T2	MDR->M(MAR)

（3）转移类指令

1）无条件转移指令 JMP X

T0
T1
T2	Ad(IR)->PC

2）有条件转移（负则转）指令 BAN X

T0
T1
T2

4.中断周期微操作的节拍安排

在执行周期的最后时刻，CPU要向所有中断源发终端查询信号，若检测到某个中断源有请求，并且未被屏蔽又被排队选中，则在允许中断的条件下，CPU进入中断周期，此时CPU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, 1->W（关中断，可以放在这里）
T1	PC->MDR（PC中保存着断点）
T2	MDR->M(MAR),向量地址->PC

CPU进入中断周期，由硬件置“0”允许中断触发器EINT，即关中断。

三、组合逻辑按设计步骤

1.列出操作时间表；

2.写出微操作命令的最简逻辑表达式；

3.画出微操作命令的逻辑图。

这种方法有以下特点：

（1）思路清晰，简单明了；

（2）庞杂，调试困难，修改困难；

（3）速度快。

用在精简中（RISC），通常情况下整型单元也是用这个。

10.2 微程序设计

一、微程序设计思想

一条机器指令对应一个微程序。完成一条机器指令有多个微操作命令，每几个微操作命令组成一个微指令，这些微指令称为微程序。

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

采用微程序设计方法设计控制单元的过程就是编写每一条机器指令的微程序，它是按照每条机器指令所需的微操作命令的先后顺序而编写的，因此，一条机器指令对应一个微程序，如图2.1所示。图中每一条机器指令都与一个以操作性质命名的微程序对应。

由于任何一条机器指令的取指令操作是相同的，因此将取指令操作的命令统一编成一个微程序，这个微程序只负责将指令从主存单元中取出送至指令寄存器中，如图2.1所示的取指周期微程序。此外，如果指令是间接寻址，其操作也是可以预测的，也可先编出对应间址周期的微程序。当出现中断时，中断隐指令所需完成的操作可由一个对应中断周期的微程序控制完成。这样，控制存储器中的微程序个数应为机器指令数再加上对应取指、间址和中断周期的3个微程序。

图2.1 不同机器指令对应的微程序

2.微程序控制单元的基本框图

如图2.2所示，图中点画线框内为微程序控制单元，控制存储器（控存）是微程序控制单元的核心部件，用来存放全部微程序；CMAR是控存地址寄存器，用来存放欲读出的微指令地址；CMDR是控存数据寄存器，用来存放从控存读出的微指令；顺序逻辑是用来控制微指令序列的，具体就是控制形成下一条微指令（即后续微指令）的地址，其输入与位地址形成部件（与指令寄存器相连）、微指令的下地址（简称“下地址”）字段以及外来的标志有关。

微指令基本格式如图2.2下所示，共分为两个字段，一个为操作控制字段，该字段发出各种控制信号；另一个为顺序控制字段，它可以指出下条微指令的地址，以控制微指令序列的执行顺序。