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ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存CPUCUALU完成对数据的暂存及运算处理基本运算规则基本硬件配置指挥各部件协同运行节拍分析CU 设计逻辑微程序硬布线CU节拍分析1第章 控制单元的功能9.1 操作命令的分析操作命令的分析9.2 控制单元的功能控制单元的功能2第10章 控制单元的设计10.1 组合逻辑设计组合逻辑设计 (硬布线逻辑硬布线逻辑)10.2 微程序设计微程序设计3重点：1、CU功能及结构；2、微操作命令序列分析及节拍安排；3、理解控制单元的两种设计思想：组合逻辑控制器和微程序控制器。难点：1、节拍产生；2、微操作命令序列分析；3、微指令格式及微程序控制器设计。49.2 控制单元的功能一、控制单元基本结构指令寄存器指令寄存器控制单元控制单元 CU标志CPU 内部控制信号到系统总线控制信号来自系统总线控制信号系系统统总总线线时钟时钟节拍发生器节拍发生器 PC-指挥各部件协同运行(INTR、HRQ)OP(IR)CU(PC)+1 PCALU:、与、或 IO/M、RD、WRINTA、HLDA5CLKT0T1T2T3时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T3节拍信号发生器：6CLK 机器周期 CO Q1Q0 2/4T3T2T1T0 节拍时钟7二、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.同步控制方式任一微操作均由 统一基准时标 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T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T382.异步控制方式无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用 应答方式3.联合控制方式4.人工控制方式(1)Reset、Wait(2)连续 和 单条 指令执行转换开关同步与异步相结合99.1 微操作命令的分析若指令周期由 4 个工作周期组成：取指周期间址周期执行周期中断周期数据流-与微操作(微命令)序列对应一、工作周期数据流及微操作分析：10MDRCUMARPCIR存储器存储器CPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线IR+1 1、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM(MAR)MDRMDR IROP（IR）CU(PC)+1 PC11MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PCIR存储器存储器MDR2、间址周期 Ad(IR)MAR1 RM(MAR)MDRMDR MAR123、执行周期不同指令的执行周期数据流及微操作命令序列不同Ad(IR)MAR1 RM(MAR)MDRMDR ACC LDA M13MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PC存储器存储器（程序断点 进栈）(SP)1 MAR1 W4、中断周期PC MDRMDR M(MAR)中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 PC0 EINT（置置“0”）14 PCIRACCU时时钟钟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 RC13二、控制信号举例-微命令分析与 CPU 内部结构、微操作序列有关1.不采用 CPU 内部总线的方式 (门控类控制信号)15PCIRACCU时钟ALU控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期：PCIRCUPCPCPC M D R M A R M D R M A RPC MAR 地址线地址线C0 C11 RM(MAR)MDRC2MDR IRC3OP（IR）CUC4(PC)+1 PC16MDRCUIRPCMARAC YALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟2.采用 CPU 内部总线方式17MDRMDRCU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IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线数据线数据线控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU18基本原则：尽可能同步控制；保持微操作序列；不同被控对象微操作尽可能安排在一个节拍内；同一被控对象，先后微操作占用时间不长，允许在一个节拍内先后完成；数据传递不冲突。三、微命令节拍分配：19 微操作节拍安排举例：采用 同步控制方式CPU 内部结构采用非总线方式一个 机器周期 内有 3 个节拍（时钟周期）PCIRACCU时时钟钟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 RC1320PCIRACCU时钟ALU控制信号标志控制信号C0C1C2C3C41、取指周期：PCIRCUPCPCPC M D R M A R M D R M A RPC MAR 地址线地址线C0 C11 RM(MAR)MDRC2C3MDR IROP（IR）CUC4(PC)+1 PCT0T1(PC)+1 PCMDR IROP（IR）CUT2C3C421LDA MT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDR ACC1 R2.执行周期 微操作节拍安排C5C2C12PCIRACCU时时钟钟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 RC13223.中断周期 微操作节拍安排T0T1T2 MARPC MDRMDR M(MAR)硬件关中断向量地址向量地址 PC1 WPCIRACCU时时钟钟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 RC9C13C13?23组合逻辑设计步骤：1.列出操作时间表2.写出微操作命令的最简表达式3.画出逻辑图10.1 组合逻辑设计24PCIRACCU时时钟钟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 RC1325功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+M 000011ADD M ACC ACC*M000100MUL M 打印打印 M 000101PRT M 停机停机000110HALT指令系统：26 取指周期 微操作节拍安排:PC MARM(MAR)MDRMDR IR(PC)+1 PCT0T1T21 ROP(IR)CUC0 C1C2C3C427LDA MT0T1T2Ad(IR)MARM(MAR)MDRMDR ACC1 R执行周期 微操作节拍安排:C5C2C12PCIRACCU时时钟钟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 RC13281.列出操作时间表T2T1T0 FE取指取指 HALTPRTMULADDSTALDA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C0、C11 RC2 (PC)+1 PCC3C4111111111111111111111111111111111111291.列出操作时间表T2T1T0 EX执行执行 HALTPRTMULADDSTALDA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C51 RC2 C12 1 W1111302.写出微操作命令的最简表达式C4=FE T2+C0=FE T0+C1=FE T0+C3=FE T2+C12=EX T2(LDA+)+C2=FE T1+EX T1(LDA+)+313.画出逻辑图特点 思路清晰，简单明了 庞杂，调试困难，修改困难 速度快&11&1FEINDEXLDAADDHLTAMULSTAT1M(MAR)MDR (C2)（RISC）&323310.2 微程序设计一、微程序设计思想的产生 完成一条机器指令微操作命令 1微操作命令 2微操作命令 n微指令微指令 110100000微指令 n微程序微程序00010010一条机器指令对应一个微程序存入存储器(控制存储器)按节拍组合342024/5/7 周二351.微程序个数：取指周期 间址周期 执行周期 中断周期 取指周期 1 间址周期 1 中断周期 1 执行周期 指令条数36功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+M 000011ADD M ACC ACC*M000100MUL M 打印打印 M 000101PRT M 停机停机000110HALT模型机指令系统：模型机指令系统微程序：取指周期 1个 执行周期 6个372.控制存储器模型：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微地址微指令占用存储单元个数即微操作节拍数38LDA XADD YSTA Z主存主存PRT用用户户程程序序控存控存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 操操作微程序作微程序对应对应 ADD 操操作微程序作微程序Q+1Q+2MM+1M+2P+1P+2M对应对应 STA 操操作微程序作微程序K+1K+2MKK+2K+13、微程序控制单元工作原理下地址起始394.微指令基本格式：1 0 0 0 0 1M+1M微命令(微指令)下地址门控信号、操作方式控制软件：下地址字段硬件：逻辑电路控存容量?顺序控制操作控制控存程序计数器CMAR40三、微指令的编码方式（控制方式）1.直接编码（直接控制）方式每一位代表一个微操作命令。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(操作控制字段编码方式)412.字段直接编码方式每个字段中的命令是 互斥 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微程序执行速度较慢显式编码保留一个代码组合表示本字段不发命令423.字段间接编码方式4.混合编码直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用5.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43原则：尽可能少的二进制位 尽可能快的发出命令合并直接编码方式字段编码微指令的编码举例：例10.4 P408例10.7 P41944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+1四、微指令序列地址的形成(顺序控制字段编码方式)451.微指令的 下地址字段 指出-软件方式2.根据机器指令的 操作码 形成-软件或硬件方式3.增量计数器4.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 指明判别条件转移地址 指明转移成功后的去向465.通过测试网络6.由硬件产生微程序入口地址第一条微指令地址 由专门 硬件 产生中断周期 由 硬件 产生 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HL47微指令序列地址形成原理图：地址选择+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OPIR 微地址微地址 形成部件形成部件 多路选择多路选择48五、模型机微程序设计举例49指令助记符指令功能指令编码ADD A,Ri(A)+(Ri)(A)0000 11 000000 11 010000 11 100000 11 11SUB A,Ri(A)-(Ri)(A)0001 11 000001 11 010001 11 100001 11 11MOV A,Ri Ri(A)0010 11 000010 11 010010 11 100010 11 11MOV A,Ri(Ri)(A)0011 11 000011 11 010011 11 100011 11 1150MOV Ri,A(A)(Ri)0100 11 000100 11 010100 11 100100 11 11MOV A,#datadata(A)0101 11 11 xxxx xxxxMOV Ri,#datadata(Ri)0110 11 00 xxxx xxxx0110 11 01 xxxx xxxx0110 11 10 xxxx xxxx0110 11 11 xxxx xxxxLDA addraddr(A)0111 11 11 xxxx xxxxSTA addr(A)addr 1000 11 11 xxxx xxxxRLC AC、A左移1位 1001 11 11RRC AC、A右移1位 1010 11 11JZ addrZ=1，addr(PC)1011 00 11 xxxx xxxxJC addrC=1，addr(PC)1011 01 11 xxxx xxxxJMP addraddr(PC)1011 11 11 xxxx xxxxORL A,#data(A)或data(A)1100 11 11 xxxx xxxxANL A,#data(A)与data(A)1101 11 11 xxxx xxxxHALT停机 1111 11 11511、微程序存储模型：M+1MM+2P+1PP+2取指周期微程序取指周期微程序对应 ADD 操作的微程序?段：17若每段4个节拍？单元：68P+3M+352 2、微指令格式：1 0 0 0 0 1M直接控制控存容量?27*24操作控制实验四6264：28*24门控信号+操作方式控制：24位53 3、下地址的形成CMAR+100H-RD控存+10+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期 微程序Q+1Q+20+1+2P+1P+20K+1K+20KK+2K+1实验四：74LS16300H-RD按操作码散转54 0 0 I7 I6 I5 I4 1 1 按操作码散转:0 0 0 0 ADD 03H0 0 0 1 SUB 07H1 1 1 1 HALT 3FH-LD5556实验准备：实验四 微程序控制单元实验实验时间：1学时实验准备：实验五 模型机实验 实验时间：3学时575859六、微指令格式1.水平型微指令如 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2.垂直型微指令类似机器指令操作码 的方式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603.两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 ，灵活性强;(2)水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令 数目少，速度快;(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;(4)水平型微指令与机器指令差别大.61七、静态微程序设计和动态微程序设计静态-微程序无须改变，采用 ROM;动态-通过改变微指令和微程序改变机器指令，有利于仿真，采用 EPROM.八、毫微程序设计1.毫微程序设计的基本概念微程序设计-用微程序解释机器指令;毫微程序设计-用毫微程序解释微程序.62 2.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CMDR263九、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微程序控制:并行微程序控制64 作业：9.11 10.15、10.2165 成绩评定：平时成绩：30%(考勤、作业、实验)期末成绩:70%66期末考核:存储器(第四章)：40%CPU(第七、八、九、十章)：40%“基本原理”67682024/5/7 周二69