第10章教案解读

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

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

T2 0→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

T2 AC→AC

③算术右移一位指令SHR

T0

T1

T2 L(AC)→R(AC)，AC0→AC0

④循环左移一位指令CSL

T0

T1

T2 R(AC)→L(AC)，AC0→AC n

⑤停机指令STP

T0

T1

T2 O→G

•访存指令

⑥加法指令ADDX

T0 Ad(IR)→MAR，1→R

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

⑦存数指令STAX

T0 Ad(IR)→MAR，1→W

T1 AC→MDR

T2 MDR→M(MAR)

⑧取数指令LDAX

T0 Ad(IR)→MAR，1→R

T1 M(MAR)→MDR

T2 MDR→AC

•转移类指令

⑨无条件转移指令JMPX

T0

T1

T2 Ad(IR)→PC

⑩有条件转移(负则转)指令BANX

T0

T1

T2 A0•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）：

T0 0→MAR，1→W

T1 PC→MDR

T2 MDR→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

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。