計算機組成原理（第十章）

第十章：控制單元的設計

組合邏輯設計

微程序設計

控制器的類型：

組合邏輯型：

核心是微操作產生部件，用組合邏輯設計思想，以布爾代數為工具設計。

輸入信號：來自指令解碼器的輸出、時序發生器的時序信號和程序運行結果特徵以及狀態， 輸出：為帶有時間標誌的微操作控制信號

微程序控制型：

將機器指令分解為基本微命令序列，用二進位碼錶示微命令， 並編成微指令，多條微指令形成微程序。

每種機器指令對應一段微程序，在製造CPU時固化在CPU中的一個控制存儲器中（CS或CM）中。執行一條機器指令時，CPU依次從CS中取微指令，從而產生了微命令。

基本概念：

微命令：

微程序控制計算機中的微操作控制信號

微操作：

控制器總執行部件接受微指令後所進行的操作，是指令序列中最基本，不可分割的動作

微指令：

在微程序控制的計算機中，同時發出的控制信號所執行的一組微操作

微程序：

由微指令組成的序列稱為微程序

控制存儲器：

微程序存放於存儲器中，由於該存儲器主要放控制命令和下一條執行的微指令地址

因此被稱為控制存儲器

微周期：

執行一條微指令和取出一條微指令所需要的時間

相斥性微命令：

不能再一個微周期出現的微命令

相容性微命令：

能在一個微周期出現的微命令

微操作的節拍安排：

假設：採用同步控制方式

一個機器周期內有３個節拍（時鐘周期）

CPU內部結構採用非匯流排方式

1. 安排微操作時序的原則

1）微操作的先後順序不得隨意更改

2）被控對象不同的微操作盡量安排在一個節拍內完成

3）佔用時間較短的微操作盡量安排在一個節拍內完成並允許有先後順序

2. 取址周期微操作的節拍安排

3. 間址周期微操作的節拍安排

4. 執行周期微操作的節拍安排

不訪存的：

訪存的：

5. 中斷周期微操作的節拍安排

組合邏輯設計步驟：

設計指令的操作碼，確定指令長度是固定的還是變長的

確定機器周期、節拍和時鐘周期，確定機器周期是固定的還是可變長的

根據指令功能和CPU的結構圖，繪製每一條指令微操作流程圖並綜合成一個總的流程圖

給微操作流程圖安排時序，確定每條指令所需的機器周期以及在各機器周期需要完成的操作，排出微操作時間表

根據操作時間 表寫出微操作的邏輯表達式，即

微操作=周期·節拍·時鐘脈衝·指令碼·其他條件

根據微操作的表達式畫出組合邏輯電路　　　　

寫出微操作命令的最簡表達式：

畫出邏輯圖：

微程序設計：

設計思想：1951年英國劍橋大學教授 Wilkes提出

微指令格式：

控制欄位：

操作控制，發出各種控制信號

下址欄位：

順序控制，指出下調微指令地址，以控制微指令序列的執行順序

1.水平型微指令

一次能定義並執行多個並行操作

如直接編碼、欄位直接編碼、欄位間接編碼，直接和欄位混合編碼

2.垂直型微指令

類似機器指令操作碼的方式

由微操作碼欄位規定微指令的功能

兩種微指令格式的比較：

1）水平型微指令比垂直型微指令並行操作能力強，靈活性強

2）水平微指令執行一條機器指令所要的微指令數目少，速度快

3）水平型微指令用較短的微程序結構換取較長的微指令結構

4）水平微指令與機器指令差別大

微程序控制單元框圖

1.機器指令對應的微程序

2.微程序控制單元的基本框圖

至CPU內部和系統匯流排的控制信號

工作原理：

1）取指階段

執行取指微程序

由CMDR發命令形成下一條微指令地址 M +1

由CMDR發命令形成下條微指令地址,M +2

由CMDR發命令

2）執行階段

執行LDA微程序

由CMDR發出命令形成下條微指令的地址P +1

由CMDR發出命令形成下條微指令的地址P +2

由CMDR發出命令形成下條微指令的地址M

3）取指階段

執行取指微程序

全部微指令存在CM中，執行過程中只需要讀出

微程序控制方式（微指令的編碼方式）

1.直接編碼（直接控制）方式

速度最快

在微指令的操作控制欄位中，每一位代表一個微操作命令

某位為「１」表示該控制信號有效

2.欄位直接編碼方式

將微命令的控制欄位分成若干「段」

每段經解碼後發出控制信號

每個欄位中的命令是互斥的

縮短了微指令的字長，增加了解碼時間

3.欄位間接編碼方式

4.混合編碼

直接編碼和欄位編碼（直接和間接）混合使用

5.其他

微指令序列地址的形成

1.微指令的下地址欄位指出（判斷方式）

2.根據機器指令的操作碼形成：根據機器指令的操作碼，由微地址形成部件對應該機器指令微程序的首地址

3.增量計數器（順序地址）

4.分支轉移（轉移指令）

5.通過測試網路

6.由硬體產生微程序入口地址

加電後，第一條微指令地址

由專門硬體產生中斷周期

由硬體產生中斷周期微程序首地址

7.後續微指令地址形成方式原理圖

靜態微程序設計和動態微程序設計：

靜態：微程序無須改變，採用ＲＯＭ

動態：通過改變微指令和微程序改變機器指令，有利於模擬，採用ＥＰＲＯＭ

毫微程序設計：

１．毫微程序設計的基本概念

微程序設計用微程序解釋機器指令

毫微程序設計用毫微程序解釋微程序

毫微指令與微指令的關係好比微指令與機器指令的關係

串列微程序控制和並行微程序控制