1、第第1010章章 控制單元的設計控制單元的設計10.1 10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計10.2 10.2 微程序設計微程序設計10.1 10.1 組合邏輯設計組合邏輯設計一、組合邏輯控制單元框圖一、組合邏輯控制單元框圖1. 1. CU CU 外特性外特性IR節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器CUT0T1TnCLK（機器主頻）（機器主頻）標志標志0 12n-1C0C1Cn操作碼譯碼操作碼譯碼n 位操作碼位操作碼節(jié)節(jié)拍拍發(fā)發(fā)生生器器 2.2.節(jié)拍信號節(jié)拍信號CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T3 二、微操作的節(jié)拍安排二、微操作的節(jié)拍安排假設采用

2、假設采用 同步控制方式同步控制方式CPU CPU 內部結構采用非總線方式內部結構采用非總線方式一個一個 機器周期機器周期 內有內有 3 3 個節(jié)拍（時鐘周期）個節(jié)拍（時鐘周期）PCIRACCU時鐘時鐘ALUC1C2C5C9C0C10C3C7C4C6C12C11C8控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A R 1. 1. 安排微操作時序的原則安排微操作時序的原則原則一原則一 微操作的微操作的 先后順序不得先后順序不得 隨意隨意 更改更改原則二原則二 被控對象不同被控對象不同 的微操作的微操作 盡量安排在盡量安排在 一個節(jié)拍一個節(jié)拍 內完成內完成原則三原則三 占用占用 時間較短

3、時間較短 的微操作的微操作 盡量盡量 安排在安排在 一個節(jié)拍一個節(jié)拍 內完成內完成 并并允許有先后順序允許有先后順序2. 2. 取指周期取指周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC原則二原則二原則二原則二原則三原則三3. 3. 間址周期間址周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排M ( MAR ) MDRMDR Ad ( IR )T0T1T2T0T1T21 ROP ( IR ) IDAd ( IR ) MAR1 R4. 4. 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排 CLA COM SHRT0T1T2T0T

4、1T2T0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )0 ACAC AC CSL STP ADD X STA XR ( AC ) L ( AC )AC0 ACnT0T1T20 GT0T1T2T0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MARAC MDRMDR M ( MAR )1 R1 W LDA X JMP X BAN XT0T1T2Ad ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR ACT0T1T2T0T1T2Ad ( IR ) PC1 RA0 Ad ( IR ) + A0 PC

5、 PC5. 5. 中斷周期中斷周期 微操作的微操作的 節(jié)拍安排節(jié)拍安排T0T1T20 MARPC MDRMDR M ( MAR )硬件關中斷硬件關中斷向量地址向量地址 PC中斷隱指令完成中斷隱指令完成1 W例例 10.110.1 設設 CPUCPU中各部件及其相互連接關系如圖中各部件及其相互連接關系如圖 10.1 10.1 所示。圖中所示。圖中 W W 是寫控制標志，是寫控制標志，R R是讀控制是讀控制標志，標志，R1 R1 和和R2 R2 是暫存器。是暫存器。 （1 1）假設要求在取指周期由）假設要求在取指周期由ALU ALU 完成完成(PC)+ (PC)+ 1PC 1PC 的操作（即的操作

6、（即ALU ALU 可以對它的一個可以對它的一個 源操源操作數(shù)完成加作數(shù)完成加 1 1 的運算）。要求以最少的節(jié)拍的運算）。要求以最少的節(jié)拍寫出取指周期全部微操作命令及節(jié)拍安排。寫出取指周期全部微操作命令及節(jié)拍安排。 （2 2 ）寫出指令）寫出指令“ADD # ”ADD # ”（# #為立即尋址特為立即尋址特征，隱含的操作數(shù)在征，隱含的操作數(shù)在ACC ACC 中）在執(zhí)行階中）在執(zhí)行階段所需的微操作命令及節(jié)拍安排。段所需的微操作命令及節(jié)拍安排。 解解: :（1 1）由于）由于(PC) + 1PC (PC) + 1PC 需由需由ALU ALU 完成，因此完成，因此PC PC 的值可作為的值可作為A

7、LU ALU 的一個源操作數(shù)，靠控制的一個源操作數(shù)，靠控制ALU ALU 做做1 1 運算得到運算得到(PC)+ 1(PC)+ 1，結果送至與，結果送至與ALU ALU 輸出輸出端相連的端相連的R2 R2 ，然后再送至，然后再送至PCPC。 此題的關鍵是要此題的關鍵是要考慮總線沖突考慮總線沖突的問題，故取的問題，故取指周期的微操作命令及節(jié)拍安排如下：指周期的微操作命令及節(jié)拍安排如下： T0 PCBusMAR，1R ；PC PC 通過總線送通過總線送MARMAR T1 M(MAR)MDR， (PC)BusALU+1R2 ；PC PC 通過總線送通過總線送ALU ALU 完成完成 (PC)+1R2

8、 (PC)+1R2 T2 MDRBusIR， ；MDR MDR 通過總線送通過總線送IRIR OP(IR)OP(IR)微操作命令形成部件微操作命令形成部件 T3 R2BusPC ；R2 R2 通過總線送通過總線送PCPC （2 2 ）立即尋址的加法指令執(zhí)行周期的微操作命令及）立即尋址的加法指令執(zhí)行周期的微操作命令及節(jié)拍安排如下：節(jié)拍安排如下： T0T0 Ad(IR) BusR1 Ad(IR) BusR1 ；立即數(shù)；立即數(shù)R1 R1 T1T1 (ACC) +(R1)ALUR2 (ACC) +(R1)ALUR2 ；ACC ACC 通過總線送通過總線送ALU ALU T2T2 R2 BusACC R

9、2 BusACC ；結果通過總線送；結果通過總線送ACC ACC 例例 10.210.2 設設CPU CPU 內部結構如圖內部結構如圖10.1 10.1 所示，且所示，且PC PC 有自動加有自動加 1 1 功能。此外還有功能。此外還有B B、C C、D D、E E、H H、L L 六個寄存器（圖中未畫），它們各自的輸入端和六個寄存器（圖中未畫），它們各自的輸入端和輸出端都與內部總線輸出端都與內部總線Bus Bus 相連，并分別受控制信相連，并分別受控制信號控制。要求寫出完成下列指令組合邏輯控制單號控制。要求寫出完成下列指令組合邏輯控制單元所發(fā)出的微操作命令及節(jié)拍安排。元所發(fā)出的微操作命令及節(jié)

10、拍安排。 （1 1）ADD BADD B，C C ；(B)(B)(C)B (C)B （2 2）SUB ESUB E，H H ；(E)(E)(H)E (H)E 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 （3 3）STA mem STA mem ；ACC(mem) ACC(mem) 存儲器間接尋址存儲器間接尋址 （1 1）完成）完成“ADD BADD B，C”C”指令所需的微操作命令及節(jié)拍安指令所需的微操作命令及節(jié)拍安排排 取指周期取指周期 T0T0 PCBusMAR PCBusMAR，1R 1R T1 T1 M(MAR)MDR M(MAR)MDR，(PC)+1PC (PC)+1PC T2 T2 MDRBus

11、IR MDRBusIR，OP(IR)OP(IR)微操作命令形成部件微操作命令形成部件 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 T0T0 CBusR1 CBusR1 T1 T1 (B)+(R1)ALUR2 (B)+(R1)ALUR2 ；B B 通過總線送通過總線送ALU ALU T2 T2 R2BusB R2BusB （2 2 ）完成）完成“SUB ESUB E，H”H”指令所需的微操作命令及指令所需的微操作命令及節(jié)拍安排節(jié)拍安排 取指周期取指周期 T0 PCBusMAR，1R T1 M(MAR) MDR，(PC) + 1PC T2 MDRBusIR，OP(IR)微操作命令形成部件微操作命令形成部件 間址周期間址周期

12、 T0 HBusMAR，1R T1 M(MAR) MDR 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 T0 MDRBusR1 T1 (E) (R1 ) ALUR2 ；E E 通過總線送通過總線送ALUALU T2 R2 BusE （3 3）完成）完成“STA mem”STA mem”指令所需的微操作命令及指令所需的微操作命令及節(jié)拍安排節(jié)拍安排 取指周期取指周期 T0 PCBusMAR，1R T1 M(MAR) MDR，(PC) + 1PC T2 MDRBusIR，OP(IR)微操作命令形成部件微操作命令形成部件 間址周期間址周期 T0 Ad(IR) BusMAR，1R T1 M(MAR) MDR 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 T0

13、 MDRBusMAR，1W T1 ACCBusMDR T2 MDRM(MAR) 例例 10.310.3 設寄存器均為設寄存器均為 16 16 位，實現(xiàn)補碼位，實現(xiàn)補碼Booth Booth 算算法的運算器框圖圖法的運算器框圖圖 10.2 10.2 所示。其中寄存所示。其中寄存 器器 A A、X X 最高最高2 2位位A0A0、A1A1和和X0X0、X1X1為符號位，寄存器為符號位，寄存器 Q0Q0最高位最高位 Q0Q0為符號位，最末位為符號位，最末位 Q15Q15為附加位。假為附加位。假設上條指令的運行結果存于設上條指令的運行結果存于A A（即為被乘數(shù)）中。（即為被乘數(shù)）中。 （1 1）若）若

14、CU CU 為組合邏輯控制，且采用中央和局部為組合邏輯控制，且采用中央和局部控制相結合的辦法，寫出完成控制相結合的辦法，寫出完成“MUL ”MUL ”（為為主存地址）指令的全部微操作命令及節(jié)拍安排。主存地址）指令的全部微操作命令及節(jié)拍安排。 （2 2 ）指出哪些節(jié)拍屬于中央控制節(jié)拍，哪些節(jié)拍）指出哪些節(jié)拍屬于中央控制節(jié)拍，哪些節(jié)拍屬于局部控制節(jié)拍，局部控制最多需幾拍屬于局部控制節(jié)拍，局部控制最多需幾拍? ?0 A n+1n + 2 位加法器位加法器控控 制制 門門0 X n+10 Q n n+1移位和加移位和加控制邏輯控制邏輯計數(shù)器計數(shù)器 CGM00,110110右移右移（1 1）取指階段）取

15、指階段 T0 PCMAR，1R T1 M(MAR)MDR，(PC)+ 1PC T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行階段執(zhí)行階段 乘法開始前要將被乘數(shù)由乘法開始前要將被乘數(shù)由 AXAX，并將乘數(shù)從主存，并將乘數(shù)從主存 單單元取出送至元取出送至 Q Q 寄存器。因寄存器。因 Q15 Q15 （最末位）為附加位，（最末位）為附加位，還必須還必須0Q150Q15，并將，并將A A 清清 0 0。上述這些操作可安排在。上述這些操作可安排在中央控制節(jié)拍內完成。乘法過程的重復加操作受中央控制節(jié)拍內完成。乘法過程的重復加操作受 Q Q 寄寄存器末兩位存器末兩位 Q14Q14、Q15 Q15 控制，重復移位

16、操作在兩個串控制，重復移位操作在兩個串接的寄存器接的寄存器A/Q A/Q 中完成，這兩種操作可安排在局部控中完成，這兩種操作可安排在局部控制節(jié)拍內完成。具體安排如下：制節(jié)拍內完成。具體安排如下： T0 Ad(IR)MAR，1R，AX T1 M(MAR)MDR，0Q15，0A T2 MDRQ014 （Q Q 寄存器僅取一位符號位）寄存器僅取一位符號位） T0* Q14Q15(A+X) + Q14Q15 （A+X+1)+Q14Q15A + Q14Q15AA T1* L(A/Q)R(A/Q) （A/Q A/Q 算術右移一位）算術右移一位） （2 2 ）中央控制節(jié)拍包括取指階段所有節(jié)拍和執(zhí)）中央控制節(jié)

17、拍包括取指階段所有節(jié)拍和執(zhí)行階段的行階段的 T0 T0 、T1T1、T2 3 T2 3 個節(jié)拍，完成取指個節(jié)拍，完成取指令和取操作數(shù)及乘法運算前的準備工作。局部令和取操作數(shù)及乘法運算前的準備工作。局部控制節(jié)拍是執(zhí)行階段的控制節(jié)拍是執(zhí)行階段的 T0T0* *和和 T1T1* *節(jié)拍，節(jié)拍， 其中其中 T0 T0 * *為重復加操作，受為重復加操作，受Q Q 寄存器末兩位寄存器末兩位Q14Q15 Q14Q15 控制，最多執(zhí)行控制，最多執(zhí)行 15 15 次；次；T1T1* *為移位為移位操作，共執(zhí)行操作，共執(zhí)行 14 14 次。次。 T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微

18、操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXII1111111111111111111111111111111111111111111111三、組合邏輯設計步驟三、組合邏輯設計步驟1. 1. 列出操作時間列出操作時間表表T2T1T0 IND 間址間址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND111

19、11111111111111111T2T1T0 EX執(zhí)行執(zhí)行 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號狀態(tài)狀態(tài)條件條件節(jié)拍節(jié)拍工作工作周期周期標記標記Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 W11111111111112. 2. 寫出微操作命令的最簡表達寫出微操作命令的最簡表達式式= FE T1 + IND T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX T1 ( ADD +LDA )M ( MAR ) MDR= T1 FE + IND ( AD

20、D + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 3. 3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思路清晰，簡單明了思路清晰，簡單明了 龐雜，調試困難，修改困難龐雜，調試困難，修改困難 速度快速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR（RISCRISC）&CUCU采用組合邏輯設計，因微操作控制信號全部由采用組合邏輯設計，因微操作控制信號全部由硬件產生，所以速度快，可用于構成高速的硬件產生，所以速度快，可用于構成高速的RISCRISC機和巨型機。它的缺點：機和巨型機。它的缺點：（1 1）邏輯實現(xiàn)復雜）邏輯實現(xiàn)復雜（

21、2 2）不易擴展和修改。）不易擴展和修改。采用微程序設計方法可克服上述缺點。它是采用微程序設計方法可克服上述缺點。它是利用利用程序設計及存儲邏輯的概念程序設計及存儲邏輯的概念，稱為微程序設計技，稱為微程序設計技術。它解決了設計的規(guī)整性問題，它將不規(guī)則的術。它解決了設計的規(guī)整性問題，它將不規(guī)則的微操作命令變成了有規(guī)律的微程序，使控制單元微操作命令變成了有規(guī)律的微程序，使控制單元的設計更科學合理。的設計更科學合理。存儲邏輯又解決了不可修改問題，簡化了控制器存儲邏輯又解決了不可修改問題，簡化了控制器的設計任務，即不易出錯成本又較低；缺點是操的設計任務，即不易出錯成本又較低；缺點是操作速度比較低。作速

22、度比較低。10.2 10.2 微程序設計微程序設計一、微程序設計思想的產生一、微程序設計思想的產生1951 1951 英國劍橋大學教授英國劍橋大學教授 WilkesWilkes 完成完成一條機器指令一條機器指令微操作命令微操作命令 1 1微操作命令微操作命令 2 2微操作命令微操作命令 n n微指令微指令 1 110100000微指令微指令 n n微程序微程序00010010存儲邏輯存儲邏輯一條機器指令對應一個微程序一條機器指令對應一個微程序存入存入 ROMROM1 1、微程序控制概念、微程序控制概念一條指令的處理包含許多微操作序列一條指令的處理包含許多微操作序列 這些操作可以歸結為信息傳遞、

23、運算這些操作可以歸結為信息傳遞、運算 將這些操作所需要的控制信號以多條微指令表示將這些操作所需要的控制信號以多條微指令表示 執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號執(zhí)行一條微指令就給出一組微操作控制信號 執(zhí)行一條指令也就是執(zhí)行一段由多條微指令組成執(zhí)行一條指令也就是執(zhí)行一段由多條微指令組成的微程序的微程序 二、微程序控制單元框圖及工作原理二、微程序控制單元框圖及工作原理程序程序微指令微指令微程序微程序微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念程序機器指令機器指令1機器指令機器指令2機器指令機器指令i機器指令機器指令n.微指令微指令2微指令微指令1微指令微指令i微指令微指令n.微程序2. 2. 機器指

24、令對應的微程序機器指令對應的微程序M+1MM+2P+1KK+2PP+2K+1取指周期微程序取指周期微程序對應對應 LDA LDA 操作的微程序操作的微程序對應對應 STA STA 操作的微程序操作的微程序間址周期微程序間址周期微程序中斷周期微程序中斷周期微程序3. 3. 微程序控制單元的基本框微程序控制單元的基本框圖圖 微地址微地址 形成部件形成部件順序邏輯順序邏輯CMAR地址譯碼地址譯碼控制存儲器控制存儲器標志標志CLK下地址下地址CMDR至至 CPU CPU 內部和系統(tǒng)總線的控制信號內部和系統(tǒng)總線的控制信號 OPIR順序控制順序控制操作控制操作控制微指令基本格式微指令基本格式M+1MM+2

25、P+1KK+2PP+2K+1取指周期取指周期 微程序微程序對應對應 LDA LDA 操作的微程序操作的微程序對應對應 STASTA 操作的微程序操作的微程序間址周期間址周期 微程序微程序中斷周期中斷周期 微程序微程序M+1M+2P+1P+2K+1K+2MM轉執(zhí)行周期微程序轉執(zhí)行周期微程序轉取指周期微程序轉取指周期微程序4. 4. 工作原理工作原理LDA XADD YSTA Z主存主存STP用戶程序用戶程序控存控存M+1MM+2P+1QQ+2PP+2Q+1取指周期取指周期 微程序微程序對應對應 LDA 操操作的微程序作的微程序對應對應 ADD 操操作的微程序作的微程序Q+1Q+2MM+1M+2P

26、+1P+2M對應對應 STA 操操作的微程序作的微程序K+1K+2MKK+2K+1(1) (1) 取指周期取指周期 將取指周期微程序首地址將取指周期微程序首地址 M CMAR; 取第一條微指令，取第一條微指令，CM(CMAR) CMDR; 產生微操作命令，產生微操作命令，PC MAR, 1 R ; 形成下一條微指令地址，形成下一條微指令地址， M+1 CMAR ; 取第二條微指令，取第二條微指令，CM(CMAR) CMDR;產生微操作命令產生微操作命令,M(MAR) MDR , (PC)+1 PC;形成下一條微指令地址，形成下一條微指令地址， M+2 CMAR ; 如此進行下去，至到取出最后一

27、條微指令并發(fā)出微操如此進行下去，至到取出最后一條微指令并發(fā)出微操作命令作命令, , 此時，此時，LDA X LDA X 指令取至指令取至IRIR。 (2) (2) 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 形成形成LDA X 指令微程序首地址指令微程序首地址 P CMAR; 取第一條微指令，取第一條微指令，CM(CMAR) CMDR; 產生微操作命令，產生微操作命令， Ad(IR) MAR, 1 R; 形成下一條微指令地址，形成下一條微指令地址， P+1 CMAR ; 取第二條微指令，取第二條微指令，CM(CMAR) CMDR;產生微操作命令，產生微操作命令， M(MAR) MDR;形成下一條微指令地址，形成下一條微

28、指令地址， P+2 CMAR ; 如此進行下去，至到取出最后一條微指令并發(fā)如此進行下去，至到取出最后一條微指令并發(fā)出微操作命令出微操作命令, , 此時，此時，LDA X LDA X 指令執(zhí)行結束指令執(zhí)行結束。 如此循環(huán)取指周期和執(zhí)行周期，至到執(zhí)行完如此循環(huán)取指周期和執(zhí)行周期，至到執(zhí)行完STPSTP指指令，此程序運行結束。令，此程序運行結束。三、微命令的編碼方式三、微命令的編碼方式 主要解決微指令的操作控制字段的格式安排，主要解決微指令的操作控制字段的格式安排，常用的方法主要有三種。常用的方法主要有三種。 1. 1. 直接編碼方式直接編碼方式 思想：思想：微操作控制字段的每一位表示一個微命微操作

29、控制字段的每一位表示一個微命令，令，0 0表示無效，表示無效，1 1表示有效表示有效。 示意圖：示意圖： 特點：特點：簡單直觀，速度快，但微指令字長較長，簡單直觀，速度快，但微指令字長較長，適用于結構較簡單的機器。適用于結構較簡單的機器。順序控制字段順序控制字段微操作控制信號微操作控制信號 思想：思想：將微操作控制字段分為若干小字段，把一組互將微操作控制字段分為若干小字段，把一組互斥微命令組織在一起，用一個小字段編碼表示，將相容的斥微命令組織在一起，用一個小字段編碼表示，將相容的微命令安排在不同字段內。在某一時刻，每個字段通過譯微命令安排在不同字段內。在某一時刻，每個字段通過譯碼產生一條微命令

30、，不同字段可以發(fā)出多條微命令。碼產生一條微命令，不同字段可以發(fā)出多條微命令。能有效壓縮微指令的長度，但由于譯碼稍影響速度能有效壓縮微指令的長度，但由于譯碼稍影響速度 注意：為每個字段分配編碼時，應考慮無操作的情況，注意：為每個字段分配編碼時，應考慮無操作的情況，即即n n位通常僅能安排位通常僅能安排2 2n n-1-1個微命令。個微命令。2. 2. 字段直接編碼方式字段直接編碼方式 微操作（微命令）間的關系：微操作（微命令）間的關系：相容和互斥。相容和互斥。 相容：相容：能同時（并行）執(zhí)行的微操作；能同時（并行）執(zhí)行的微操作； 互斥：互斥：不能同時執(zhí)行的微操作。不能同時執(zhí)行的微操作。 譯碼譯碼

31、譯碼譯碼譯碼譯碼下地址下地址操作控制操作控制控制信號控制信號3 3. . 字段間接編碼方式字段間接編碼方式字段字段 1字段字段 2譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼操作控制操作控制控制信號控制信號字段字段 n下地址下地址控制信號控制信號隱式編碼隱式編碼這種方式一個字段的某些微命令還需要由另個一這種方式一個字段的某些微命令還需要由另個一個字段中的某些微命令來解釋，由于不是靠字段個字段中的某些微命令來解釋，由于不是靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故稱為字段間接編碼，又直接譯碼發(fā)出微命令，故稱為字段間接編碼，又稱隱式編碼。稱隱式編碼。4.4. 混合編碼方式混合編碼方式 當分段直接編碼方式中某些小字段的位數(shù)少到只當分

32、段直接編碼方式中某些小字段的位數(shù)少到只有一位時，就可認為是有一位時，就可認為是直接編碼方式和字段直接編碼直接編碼方式和字段直接編碼方式的混合編碼方式。方式的混合編碼方式。 特點：特點：可改善分段直接編碼方式的靈活性和執(zhí)行可改善分段直接編碼方式的靈活性和執(zhí)行速度。速度。 例例 10.410.4 某機的微指令格式中，共有某機的微指令格式中，共有 8 8 個控制字個控制字段，每個字段可分別激活段，每個字段可分別激活 5 5、8 8、3 3、1616、1 1、7 7、2525、4 4 種控制信號。分別采用直接編碼和字段直種控制信號。分別采用直接編碼和字段直接編碼方式設計微指令的操作控制字段，并說明接編

33、碼方式設計微指令的操作控制字段，并說明兩種方式的操作控制字段各取幾位。兩種方式的操作控制字段各取幾位。 解：（解：（1 1）采用直接編碼方式，微指令的操作控）采用直接編碼方式，微指令的操作控制字段的總位數(shù)等于控制信號數(shù)。即制字段的總位數(shù)等于控制信號數(shù)。即 5+8+3+16+1+7+25+4=69 5+8+3+16+1+7+25+4=69 （2 2 ）采用字段直接編碼方式，需要的控）采用字段直接編碼方式，需要的控制位少。根據(jù)題目給出的制位少。根據(jù)題目給出的10 10 個控制字段及各個控制字段及各段可激活的控制信號數(shù)，再加上每個控制字段段可激活的控制信號數(shù)，再加上每個控制字段至少要留一個碼字表示不

34、激活任何一條控制線，至少要留一個碼字表示不激活任何一條控制線，即微指令的即微指令的8 8 個控制字段分別需給出個控制字段分別需給出 6 6、9 9、4 4、1717、2 2、8 8、2626、5 5 種狀態(tài)，對應種狀態(tài)，對應 3 3、4 4、2 2、5 5、1 1、3 3、5 5、3 3 位。故微指令的操作控制字段的位。故微指令的操作控制字段的總位數(shù)為：總位數(shù)為： 3+4+2+5+1+3+5+3=263+4+2+5+1+3+5+3=26 四、微指令序列地址的形成四、微指令序列地址的形成1 1. . 直接由直接由微指令的微指令的 下地址字段下地址字段 指出指出2 2. . 根據(jù)機器指令的根據(jù)機器

35、指令的 操作碼操作碼 形成形成3 3. . 增量計數(shù)器增量計數(shù)器4 4. . 分支轉移分支轉移( ( CMAR ) + 1 CMARCMAR ) + 1 CMAR 轉移地址轉移地址操作控制字段操作控制字段 轉移方式轉移方式轉移方式轉移方式 指明判別條件指明判別條件轉移地址轉移地址 指明轉移成功后的去向指明轉移成功后的去向5. 5. 通過測試網絡通過測試網絡6. 6. 由硬件產生由硬件產生微程序入口地址微程序入口地址第一條微指令地址第一條微指令地址 由專門由專門 硬件硬件 產生產生中斷周期中斷周期 由由 硬件硬件 產生產生 中斷周期微程序首地址中斷周期微程序首地址非測試地址非測試地址 h測試地址

36、測試地址 l測試網絡測試網絡測試源測試源微指令地址微指令地址CMDR操作控制操作控制順序控制順序控制HL7. 7. 后續(xù)微指令地址形成方式原理圖后續(xù)微指令地址形成方式原理圖地址地址選擇選擇+ + 1CMAR地址譯碼地址譯碼下地址下地址轉移方式轉移方式CMDR控制存儲器控制存儲器控制信號控制信號 分支分支 邏輯邏輯標志標志微程序入口微程序入口OPIR 微地址微地址 形成部件形成部件 多路選擇多路選擇n水平型微指令：水平型微指令：一次能定義并執(zhí)行多個并行操一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。作微命令的微指令，叫做水平型微指令。n基本特征：基本特征：n微指令字較長微指令字較

37、長n一條微指令能控制數(shù)據(jù)通路中多個功能部件并行操作。一條微指令能控制數(shù)據(jù)通路中多個功能部件并行操作。n微命令的編碼簡單，盡可能使微命令與控制門之間具有微命令的編碼簡單，盡可能使微命令與控制門之間具有直接對應關系。直接對應關系。格式如下：格式如下：控控 制制 字字 段段判別測試字段判別測試字段下地址字段下地址字段五、微指令格式五、微指令格式n垂直型微指令：垂直型微指令：在微指令中設置微操作碼字在微指令中設置微操作碼字段，采用為操作碼編譯法，由操作碼規(guī)定為微指段，采用為操作碼編譯法，由操作碼規(guī)定為微指令的功能，在一條微指令中只有一、兩個微操作令的功能，在一條微指令中只有一、兩個微操作命令稱為垂直型

38、微指令。命令稱為垂直型微指令。n基本特征：基本特征：n微指令字短。微指令字短。n微指令的并行操作能力有限，一條微指令只能控制數(shù)微指令的并行操作能力有限，一條微指令只能控制數(shù)據(jù)通路中的一、兩個信息傳送。據(jù)通路中的一、兩個信息傳送。n微指令編碼比較復雜，全部微命令組成一個微操作碼微指令編碼比較復雜，全部微命令組成一個微操作碼字段，經過完全譯碼，微指令的各個二進制位與數(shù)據(jù)字段，經過完全譯碼，微指令的各個二進制位與數(shù)據(jù)通路的各個控制點之間完全不存在直接對應關系。通路的各個控制點之間完全不存在直接對應關系。000原寄存器目的寄存器其他001左輸入源編址 右輸入源編址ALU010寄存器編址存儲器編址讀寫其

39、他011測試條件寄存器數(shù)據(jù)傳送型寄存器數(shù)據(jù)傳送型運算控制型運算控制型訪問主存型訪問主存型條件轉移型條件轉移型（3 3）水平型與垂直型微指令比較）水平型與垂直型微指令比較水平型微指令并行操作能力強，效率高，靈活水平型微指令并行操作能力強，效率高，靈活性強性強 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短 由水平型微指令指令的微程序，有微指令字較由水平型微指令指令的微程序，有微指令字較長，微程序短，垂直型號字長短，微程序長。長，微程序短，垂直型號字長短，微程序長。 水平型不便于用戶掌握，垂直型與指令相似，水平型不便于用戶掌握，垂直型與指令相似，易于掌握。易于掌握。例例 10.5

40、10.5 某微程序控制器中，采用水平型直接控某微程序控制器中，采用水平型直接控制（編碼）方式的微指令格式，后續(xù)微指令地制（編碼）方式的微指令格式，后續(xù)微指令地址由微指令的下地址字段給出。已知機器共有址由微指令的下地址字段給出。已知機器共有 28 28 個微命令，個微命令，6 6 個互斥的可判定的外部條件，個互斥的可判定的外部條件，控制存儲器的容量為控制存儲器的容量為512 512 40 40 位。試設計其位。試設計其微指令格式，并說明理由。微指令格式，并說明理由。 解：水平型微指令由操作控制字段，判別測試解：水平型微指令由操作控制字段，判別測試字段和下地址字段三部分構成。因為微指令采字段和下地

41、址字段三部分構成。因為微指令采用直接控制（編碼）方式，所以其操作控制字用直接控制（編碼）方式，所以其操作控制字段的位數(shù)等于微命令數(shù)，為段的位數(shù)等于微命令數(shù)，為28 28 位。又由于后位。又由于后續(xù)微指令地址由下地址字段給出，故其下地址續(xù)微指令地址由下地址字段給出，故其下地址字段的位數(shù)可根據(jù)控制存儲器的容量（字段的位數(shù)可根據(jù)控制存儲器的容量（512 512 40 40 位）定為位）定為9 9 位。當微程序出現(xiàn)分支時，位。當微程序出現(xiàn)分支時，后續(xù)微指令地址的形成取決于狀態(tài)條件，后續(xù)微指令地址的形成取決于狀態(tài)條件，6 6 個個互斥的可判定外部條件，可以編碼成互斥的可判定外部條件，可以編碼成3 3 位

42、狀態(tài)位狀態(tài)位。非分支時的后續(xù)微指令地址由微指令的下位。非分支時的后續(xù)微指令地址由微指令的下地址地址 字段直接給出。字段直接給出。 例例 10.610.6 某機共有某機共有 52 52 個微操作控制信號，構個微操作控制信號，構成成 5 5 個相斥類的微命令組，各組分別包含個相斥類的微命令組，各組分別包含 5 5、8 8、2 2、1515、22 22 個微命令。已知可判定的外部個微命令。已知可判定的外部條件有兩個，微指令字長條件有兩個，微指令字長28 28 位。位。 （1 1）按水平型微指令格式設計微指令，要）按水平型微指令格式設計微指令，要求微指令的下地址字段直接給出后續(xù)微指令地求微指令的下地址

43、字段直接給出后續(xù)微指令地址。址。 （2 2 ）指出控制存儲器的容量。）指出控制存儲器的容量。 （1 1）根據(jù)）根據(jù) 5 5 個相斥類的微命令組，各組分別包個相斥類的微命令組，各組分別包含含 5 5、8 8、2 2、1515、22 22 個微命令，考慮到每組個微命令，考慮到每組必須增加一種不發(fā)命令的情況，條件測試字段必須增加一種不發(fā)命令的情況，條件測試字段應包含一種不轉移的情況，則應包含一種不轉移的情況，則 5 5 個控制字段個控制字段分別需給出分別需給出 6 6、9 9、3 3、1616、23 23 種狀態(tài)，對應種狀態(tài)，對應 3 3、4 4、2 2、4 4、5 5 位（共位（共 18 18 位

44、），條件測試字位），條件測試字段取段取2 2 位。根據(jù)微指令字長為位。根據(jù)微指令字長為28 28 位，則下地位，則下地址字段取址字段取282818182 = 8 2 = 8 位，其微指令格式如位，其微指令格式如圖圖 （2 2 ）根據(jù)下地址字段為）根據(jù)下地址字段為8 8 位，微指令字長為位，微指令字長為28 28 位，得控制存儲器的容量為位，得控制存儲器的容量為256 256 28 28 位。位。 六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計六、靜態(tài)微程序設計和動態(tài)微程序設計靜態(tài)靜態(tài) 微程序無須改變，采用微程序無須改變，采用 ROMROM動態(tài)動態(tài) 通過通過 改變微指令改變微指令 和和 微程序微程序 改變機

45、器指令，改變機器指令， 有利于仿真，采用有利于仿真，采用 EPROMEPROM七、毫微程序設計七、毫微程序設計1. 1. 毫微程序設計的基本概念毫微程序設計的基本概念微程序設計微程序設計 用用 微程序解釋機器指令微程序解釋機器指令毫微程序設計毫微程序設計 用用 毫微程序解釋微程序毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令毫微指令與微指令 的關系好比的關系好比 微指令與機器指令微指令與機器指令 的關系的關系2.2.毫微程序控制存儲器的基本組成毫微程序控制存儲器的基本組成 控制存儲器控制存儲器 （微程序）（微程序）CMAR1MOPOP轉移地址轉移地址垂直型垂直型微指令微指令IR+ + 1CMDR1CMAR

46、2 控制存儲器控制存儲器（毫微程序）（毫微程序）水平型微指令水平型微指令控制信號控制信號CMDR2八、串行微程序控制和并行微程序控制八、串行微程序控制和并行微程序控制取第取第 i+1 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條微指令執(zhí)行第執(zhí)行第 i 條微指令條微指令取第取第 i 條微指令條微指令取第取第 i+1 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+1 條微指令條微指令取第取第 i+2 條微指令條微指令 執(zhí)行第執(zhí)行第 i+2 條微指令條微指令串行串行 微程序控制微程序控制并行并行 微程序控制微程序控制還需考慮還需考慮 如何讀出

47、如何讀出 這這 3 3 條微指令條微指令 ? ?1. 1. 寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排寫出對應機器指令的微操作及節(jié)拍安排假設假設 CPUCPU 結構與組合邏輯相同結構與組合邏輯相同(1) (1) 取指階段微操作分析取指階段微操作分析T0T1T2PC MARM ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PCMDR IROP ( IR ) 微地址形成部件微地址形成部件九、微程序設計舉例九、微程序設計舉例1 R若一個若一個 T T 內安排一條微指令內安排一條微指令則取指操作需則取指操作需 3 3 條微指令條微指令3 3 條微指令條微指令Ad ( CMDR ) CMAROP ( IR ) 微

48、地址形成部件微地址形成部件 CMAR(2) (2) 取指階段的微操作及節(jié)拍安排取指階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需要考慮到需要 形成后續(xù)微指令的地址形成后續(xù)微指令的地址T0T1T2T3T4T51R( PC )+1PCOP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件MARPCCMARAd ( CMDR )MDRM ( MAR )CMARAd ( CMDR )IRMDRCMAROP ( IR )微地址形成部件微地址形成部件(3) (3) 執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排執(zhí)行階段的微操作及節(jié)拍安排考慮到需形成后續(xù)微指令的地址考慮到需形成后續(xù)微指令的地址取指微程序的入口地址取指微程序的入口地址 M M由微指令下

49、地址字段指出由微指令下地址字段指出 非訪存指令非訪存指令 CLA 指令指令T0T1 COM 指令指令T0T1Ad ( CMDR )CMARACACCMARAd ( CMDR )AC0 CSL 指令指令T0T1 STP 指令指令T1Ad ( CMDR )CMARAC0ACnT0CMARAd ( CMDR )G0L ( AC )R ( AC ) SHR 指令指令T0T1AC0AC0R ( AC )L ( AC )CMARAd ( CMDR ) 訪存指令訪存指令 ADD 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMARM ( MAR )MDRAd ( CMDR )CMAR( AC ) + ( MDR )ACAd ( CMDR )CMAR1R STA 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad (IR)MARAd ( CMDR )CMARACMDRAd ( CMDR )CMARMDRM (MAR)Ad ( CMDR )CMAR1W LDA 指令指令T0T1T2T3T4T5Ad ( IR )MARAd ( CMDR )CMAR