控制单元的设计

解: （1）由于(PC) + 1→PC 需由ALU 完成，因此PC 的值可作为ALU 的一个源操作数，靠控制ALU 做＋1 运算得到(PC)+ 1，结果送至与ALU 输出 端相连的R2 ，然后再送至PC。 此题的关键是要考虑总线冲突的问题，故取 指周期的微操作命令及节拍安排如下： T0 PC→Bus→MAR，1→R ；PC 通过总线送MAR
10.1
1. CU 外特性
组合逻辑设计
一、组合逻辑控制单元框图
IR
n 位操作码 操作码译码
0 1
节 节 拍 拍 CLK 发 发 （机器主频） 生 生 器 器 T0 T1 Tn C0 C1
…
2 n- 1
CU
…
标志
…
Cn
2.节拍信号
时钟周期
CLK
T0 T1
T2
T3
T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 机器周期 机器周期
（1）完成“ADD B，C”指令所需的微操作命令及节拍安
排
取指周期 T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR)→MDR，(PC)+1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件 执行周期 T0 C→Bus→R1 T1 (B)+(R1)→ALU→R2 ；B 通过总线送ALU T2 R2→Bus→B
原则三
3. 间址周期 微操作的 节拍安排
T0 T1 T2 Ad ( IR ) 1 MDR R MDR Ad ( IR ) M ( MAR ) MAR
4. 执行周期 微操作的 节拍安排
① CLA
T0
T1
T2
0
AC
② COM T0
T1 T2 AC AC
③ SHR T0
T1 T2 L ( AC ) AC0 R ( AC ) AC0
T0 MDR→Bus→R1 T1 (E) －(R1 ) →ALU→R2 T2 R2 →Bus→E ；E 通过总线送ALU
Βιβλιοθήκη Baidu
（3）完成“STA @mem”指令所需的微操作命令及 节拍安排 取指周期
T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件
T0
T1 T2
0
PC MDR
MAR
MDR M ( MAR )
1
W
硬件关中断
向量地址
PC
中断隐指令完成
例 10.1 设 CPU中各部件及其相互连接关系如图 10.1 所示。图中 W 是写控制标志，R是读控制 标志，R1 和R2 是暂存器。
W R 存储器 MAR
微操作命令形成部件
CPU
IR
PC
内部总线bus
T1 T2
MDR
M ( MAR )
⑧ LDA X
T0
T1 T2
Ad ( IR )
M ( MAR ) MDR
MAR 1
MDR
R
AC
⑨ JMP X
T0
T1 T2 Ad ( IR ) PC
⑩ BAN X
T0
T1 T2 A0 • Ad ( IR ) + A0• PC PC
5. 中断周期 微操作的 节拍安排
例 10.2 设CPU 内部结构如图10.1 所示，且PC 有自动加 1 功能。此外还有B、C、D、E、H、L 六个寄存器（图中未画），它们各自的输入端和 输出端都与内部总线Bus 相连，并分别受控制信 号控制。要求写出完成下列指令组合逻辑控制单 元所发出的微操作命令及节拍安排。 （1）ADD B，C ；(B)＋(C)→B （2）SUB E，@H ；(E)－((H))→E 寄存器间接寻址 （3）STA @mem ；ACC→((mem)) 存储器间接寻址
④ CSL
T0
T1 T2 R ( AC ) L ( AC ) AC0 ACn
⑤ STP
T0 T1 T2 0 G MAR MDR AC 1 W MAR 1 R
⑥ ADD X T0
T1 T2
Ad ( IR ) M ( MAR ) Ad ( IR ) AC
( AC ) + ( MDR ) MDR
⑦ STA X T0
T1 M(MAR)→MDR， (PC)→Bus→ALU+1→R2
；PC 通过总线送ALU 完成 (PC)+1→R2 T2 MDR→Bus→IR， ；MDR 通过总线送IR OP(IR)→微操作命令形成部件 T3 R2→Bus→PC ；R2 通过总线送PC
（2 ）立即寻址的加法指令执行周期的微操作命令及 节拍安排如下： T0 T1 T2 Ad(IR) →Bus→R1 (ACC) +(R1)→ALU→R2 R2 →Bus→ACC ；立即数→R1 ；ACC 通过总线送ALU ；结果通过总线送ACC
（2 ）完成“SUB E，@H”指令所需的微操作命令及 节拍安排 取指周期
T0 PC→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR，(PC) + 1→PC T2 MDR→Bus→IR，OP(IR)→微操作命令形成部件
间址周期
T0 H→Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR
执行周期
二、微操作的节拍安排
假设采用 同步控制方式 一个 机器周期 内有 3 个节拍（时钟周期）
CPU 内部结构采用非总线方式
C2 MDR C5 C9 PC C0 MAR 时钟 C10 IR C3 C6 C1 C11
C12
AC C8 ALU 标志
C7 C4
CU … …
控制 信号
…
控制信号
1. 安排微操作时序的原则
间址周期
T0 Ad(IR) →Bus→MAR，1→R T1 M(MAR) →MDR
执行周期
T0 MDR→Bus→MAR，1→W T1 ACC→Bus→MDR T2 MDR→M(MAR)
原则一 原则二 微操作的 先后顺序不得 随意 更改 被控对象不同 的微操作
尽量安排在
原则三
一个节拍 内完成
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 T1 T2 PC 1 R MDR PC IR ID
原则二
MAR
原则二
M ( MAR ) ( PC ) + 1 MDR OP ( IR )
MDR
ACC
R1
ALU
R2
（1）假设要求在取指周期由ALU 完成(PC)+ 1→PC 的操作（即ALU 可以对它的一个 源操 作数完成加 1 的运算）。要求以最少的节拍 写出取指周期全部微操作命令及节拍安排。 （2 ）写出指令“ADD # α”（#为立即寻址特 征，隐含的操作数在ACC 中）在执行阶 段所需的微操作命令及节拍安排。