资源描述
CPU,CU,ALU,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,2,第10章 控制单元的设计,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。,4,9.2 控制单元的功能,一、控制单元基本结构,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,-指挥各部件协同运行,(INTR 、HRQ ),(PC) + 1 PC ALU: 、 与、或 ,5,CLK,T0,T1,T2,T3,节拍信号发生器：,6,CLK,机器周期,CO,Q1 Q0,2/4,T3 T2 T1 T0,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,8,2. 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,9,9.1 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：,10,CU,MAR,PC,1、取指周期,11,2、间址周期,12,3、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,LDA M,13,（程序断点 进栈）,4、中断周期,14,C13,二、控制信号举例-微命令分析,与 CPU 内部结构、微操作序列有关,不采用 CPU 内部总线的方式 (门控类控制信号),15,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制 信号,取指周期：,PC,IR,CU,PC,PC,PC,M D R,M A R,M D R,M A R,C0 C1,C2,C3,C4,16,控制信号,控制信号,2. 采用 CPU 内部总线方式,17,取指周期:,PC,MDR,OP（IR）,控制信号,控制信号,MAR,MDR,IR,CU,18,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）,C13,20,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制 信号,1、取指周期：,PC,IR,CU,PC,PC,PC,M D R,M A R,M D R,M A R,C0 C1,C2,C3,C4,T0,T1,T2,C3,C4,21,LDA M,T0,T1,T2,2. 执行周期 微操作节拍安排,C5,C2,C12,C13,22,3. 中断周期 微操作节拍安排,T0,T1,T2,硬件关中断,C9,C13,C13,?,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,24,C13,25,指令系统：,26,取指周期 微操作节拍安排:,T0,T1,T2,C0 C1,C2,C3,C4,27,LDA M,T0,T1,T2,执行周期 微操作节拍安排:,C5,C2,C12,C13,28,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,29,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,30,2. 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 + ) + ,31,3. 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,FE,IND,EX,LDA,ADD,HLTA,MUL,STA,T1,（RISC）,32,33,10.2 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,10100000,微指令 n,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,34,1.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,35,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,36,2. 控制存储器模型：,M+1,M,M+2,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,微地址,微指令,占用存储单元个数即微操作节拍数,37,3、微程序控制单元工作原理,下地址,起始,38,4. 微指令基本格式：,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 CMAR,39,三、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,(操作控制字段编码方式),40,2. 字段直接编码方式,每个字段中的命令是 互斥,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,41,3. 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,隐式编码,42,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 P419,43,四、微指令序列地址的形成,(顺序控制字段编码方式),44,1. 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,转移方式 指明判别条件,转移地址 指明转移成功后的去向,45,5. 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,46,微指令序列地址形成原理图：,地址 选择,+ 1,微程序入口,47,五、模型机微程序设计举例,48,49,50,1、微程序存储模型：,M+1,M,M+2,P+1,P,P+2,对应 ADD 操作的微程序,?段： 17 若每段4个节拍 ？单元：68,P+3,M+3,51,2、微指令格式：,1 0 0 0 0 1,M,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,52,3、下地址的形成,CMAR,+ 1,00H-RD,控存,+1,0,+2,P+1,Q,Q+2,P,P+2,Q+1,取指周期 微程序,Q+1,Q+2,0,+1,+2,P+1,P+2,0,K+1,K+2,0,K,K+2,K+1,实验四： 74LS163,00H-RD,按操作码散转,53,0 0 I7 I6 I5 I4 1 1,按操作码散转:,0 0 0 0 ADD 03H 0 0 0 1 SUB 07H 1 1 1 1 HALT 3FH,-LD,54,55,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,56,57,58,六、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,59,3. 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.,60,七、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.,61,2. 毫微程序控制存储器的基本组成,62,九、串行微程序控制和并行微程序控制,串行微程序控制:,并行微程序控制,63,作业： 9.11 10.15、10. 21,64,成绩评定： 平时成绩： 30% (考勤、作业、实验) 期末成绩: 70%,65,期末考核: 存储器(第四章)： 40% CPU(第七、八、九、十章)： 40% “基本原理”,66,67,
展开阅读全文