1、第章 控制单元的功能,9.1 操作命令的分析,完成一条指令分 4 个工作周期,取指周期,间址周期,执行周期,中断周期,一、取指周期,9.1 操作命令的分析,二、间址周期,9.1,三、执行周期,1. 非访存指令,(1) CLA 清A,(2) COM 取反,(4) CSL 循环左移,(3) SHR 算术右移,(5) STP 停机指令,9.1,2. 访存指令,STA X,ADD X,(2) 存数指令,(1) 加法指令,9.1,(3) 取数指令,3. 转移指令,(1) 无条件转,(2) 条件转移,LDA X,JMP X,BAN X,（负则转）,9.1,4. 三类指令的指令周期,非访存 指令周期,直接访
2、存 指令周期,间接访存 指令周期,转移 指令周期,9.1,间接转移 指令周期,四、中断周期,程序断点存入 “ 0 ” 地址,程序断点 进栈,9.1,9.2 控制单元的功能,一、控制单元的外特性,时钟,标志,CPU 内部的控制信号,到系统总线的控制信号,来自系统总线的控制信号,1. 输入信号,(1) 时钟,(2) 指令寄存器,(4) 外来信号,(3) 标志,CU 受时钟控制,控制信号 与操作码有关,CU 受标志控制,INTR 中断请求,HRQ 总线请求,一个时钟脉冲,发一个操作命令或一组需同时执行的操作命令,如,9.2,2. 输出信号,(1) CPU 内的各种控制信号,(2) 送至控制总线的信号
3、,INTA,HLDA,访存控制信号,访 IO/ 存储器的控制信号,读命令,写命令,中断响应信号,总线响应信号,9.2,二、控制信号举例,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制 信号,取指周期,以 ADD X 为例,PC,IR,CU,9.2,1. 不采用 CPU 内部总线的方式,PC,PC,PC,M D R,M A R,M D R,M A R,二、控制信号举例,1. 不采用 CPU 内部总线的方式,ADD X 间址周期,9.2,M D R,M D R,M A R,二、控制信号举例,1. 不采用 CPU 内部总线的方式,ADD X 执行周期,AC,ALU,9.2,M D R,M
4、 A R,M D R,(1) ADD X 取指周期,PC,MDR,OP（IR）,控制信号,控制信号,2. 采用 CPU 内部总线方式,MAR,MDR,IR,CU,9.2,(2) ADD X 间址周期,MDR,MDR,MDR,IR,MAR,9.2,(3) ADD X 执行周期,MDR,Z,AC,（AC）+（Y）,MAR,MDR,Y,ALU,AC,Z,ALU,9.2,三、多级时序系统,1. 机器周期,(1) 机器周期的概念,(2) 确定机器周期需考虑的因素,(3) 基准时间的确定,所有指令执行过程中的一个基准时间,每条指令的执行 步骤,每一步骤 所需的 时间,以完成 最复杂 指令功能的时间 为准,
5、以 访问一次存储器 的时间 为基准,若指令字长 = 存储字长,取指周期 = 机器周期,9.2,2. 时钟周期（节拍、状态）,一个机器周期内可完成若干个微操作,每个微操作需一定的时间,时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间,将一个机器周期分成若干个时间相等的 时间段（节拍、状态、时钟周期）,9.2,用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令,CLK,T0,T1,T2,T3,2. 时钟周期（节拍、状态）,9.2,3. 多级时序系统,机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统,一个指令周期包含若干个机器周期,一个机器周期包含若干个时钟周期,CLK,节拍 (状态),节拍 (状态),9.2,4. 机器速度与机器
6、主频的关系,机器的 主频 f 越快 机器的 速度也越快,在机器周期所含时钟周期数 相同 的前提下， 两机 平均指令执行速度之比 等于 两机主频之比,机器速度 不仅与 主频有关 ，还与机器周期中所含 时钟周期（主频的倒数）数 以及指令周期中所含 的 机器周期数有关,9.2,四、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,(1) 采用 定长 的机器周期,以 最长 的 微操作序列 和 最繁 的微操作作为 标准,9.2,机器周期内 节拍数相同,(2) 采用不定长的机器周期,节拍 (状态),9.2,机器周期内 节拍数不等,
7、(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法,9.2,局部控制的节拍宽度与 中央控制的节拍宽度一致,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,(2) 连续 和 单条 指令执行转换开关,(3) 符合停机开关,同步与异步相结合,9.2,五、多级时序系统实例分析,1. 8085 的组成,9.2,2. 8085 的外部引脚,(1) 地址和数据信号,(2) 定时和控制信号,(3) 存储器和 I/O 初始化,A15A8 AD7AD0,SID SOD,入 X1 X2,入 HOLD Ready,出 HLDA,
8、9.2,(4) 与中断有关的信号,(5) CPU 初始化,(6) 电源和地,出 INTA,Trap 重新启动中断,出 Reset out,VCC +5 V,VSS 地,9.2,3. 机器周期和节拍（状态）与控制信号的关系,9.2,小结,每个 控制 信号在 指定机器周期 的 指定节拍 T 时刻 发出,机器周期 M1 取指令操作码,机器周期 M2 取设备地址,机器周期 M3 执行 ACC 的内容写入设备,以一条输出指令（I/O 写）为例,9.2,第10章 控制单元的设计,10.1 组合逻辑设计,一、组合逻辑控制单元框图,1. CU 外特性,IR,操作码译码,2.节拍信号,CLK,T0,T1,T2,
9、T3,10.1,二、微操作的节拍安排,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）,10.1,1. 安排微操作时序的原则,原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改,原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成,原则三 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,10.1,2. 取指周期 微操作的 节拍安排,原则二,原则二,原则三,3. 间址周期 微操作的 节拍安排,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1,4. 执行周期 微操作的 节拍安排, CLA, COM, SHR,T0,T1,T2,T0,
10、T1,T2,T0,T1,T2,10.1, CSL, STP, ADD X, STA X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1, LDA X, JMP X, BAN X,T0,T1,T2,T0,T1,T2,T0,T1,T2,10.1,5. 中断周期 微操作的 节拍安排,T0,T1,T2,硬件关中断,中断隐指令完成,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,T2,T1,T0,FE 取指,JMP,LDA,STA,ADD,COM,CLA,微操作命令信号,状态条件,节拍,工作周期标记,I,10.1,间址特征,T2,T1,T0,IND间址,10.1,
11、间址周期标志,T2,T1,T0,EX 执行,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,10.1,三、组合逻辑设计步骤,1. 列出操作时间表,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,10.1,2. 写出微操作命令的最简表达式,= FE T1 + IND T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN )+ EX T1 ( ADD +LDA ),= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN )+ EX (
12、ADD +LDA ) ,10.1,3. 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,JMP,BAN,STA,T1,（RISC）,10.1,10.2 微程序设计,一、微程序设计思想的产生,1951 英国剑桥大学教授 Wilkes,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,存储逻辑,一条机器指令对应一个微程序,存入 ROM,二、微程序控制单元框图及工作原理,1. 机器指令对应的微程序,M+1,M,M+2,P+1,K,K+2,P,P+2,K+1,10.2,2. 微
13、程序控制单元的基本框图,顺序逻辑,CMAR,地址译码,至 CPU 内部和系统总线的控制信号,10.2,二、微程序控制单元框图及工作原理,M+1,M+2,P+1,P+2,K+1,K+2,M,M,转执行周期微程序,转取指周期微程序,10.2,3. 工作原理,10.2,3. 工作原理,(1) 取指阶段,由 CMDR 发命令,形成下条微指令地址,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,M + 1,M + 2,形成下条微指令地址,执行取指微程序,10.2,(2) 执行阶段,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,由 CMDR 发命令,执行 LDA 微程序,形成下条微指令地址 P + 1,形成下条
14、微指令地址 P + 2,形成下条微指令地址 M,10.2,(3) 取指阶段,由 CMDR 发命令,全部微指令存在 CM 中，程序执行过程中 只需读出,关键,微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令,微指令的 后续地址如何形成,执行取指微程序,10.2,三、微指令的编码方式（控制方式）,1. 直接编码（直接控制）方式,在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令,速度最快,某位为 “1” 表示该控制信号有效,10.2,2. 字段直接编码方式,将微指令的控制字段分成若干 “段”， 每段经译码后发出控制信号,每个字段中的命令是 互斥 的,缩短 了微指令 字长，增加 了译码 时间,微程序执行速度
15、较慢,10.2,显式编码,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,10.2,隐式编码,四、微指令序列地址的形成,1. 微指令的 下地址字段 指出,2. 根据机器指令的 操作码 形成,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,10.2,5. 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,10.2,7. 后续微指令地址形成方式原理图,地址 选择,+ 1,微程序入口,10.2,五、微指令格式,1. 水平型微指令,如
16、 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,10.2,3. 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,10.2,六、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
17、,七、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,毫微指令与微指令 的关系好比 微指令与机器指令 的关系,10.2,2. 毫微程序控制存储器的基本组成,10.2,八、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,10.2,还需考虑 如何读出 这 3 条微指令 ?,1. 写出对应机器指令的微操作及节拍安排,假设 CPU 结构与组合逻辑相同,(1) 取指阶段微操作分析,T0,T1,T2,九、微程序设计举例,3 条微指令,10.2,(2) 取指阶段的微操作及节拍安排,考虑到需要 形成后续微指令的地址,T0
18、,T1,T2,T3,T4,T5,10.2,(3) 执行阶段的微操作及节拍安排,考虑到需形成后续微指令的地址,取指微程序的入口地址 M 由微指令下地址字段指出, 非访存指令, CLA 指令,T0,T1, COM 指令,T0,T1,10.2, CSL 指令,T0,T1, STP 指令,T1,T0, SHR 指令,T0,T1,10.2, 访存指令, ADD 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5, STA 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5,10.2, LDA 指令,T0,T1,T2,T3,T4,T5,10.2,全部微操作 20个,微指令 38条, 转移类指令, JMP 指令,T0,T1,
19、BAN 指令,T0,T1,10.2,2. 确定微指令格式,(1) 微指令的编码方式,(2) 后续微指令的地址形成方式,采用直接控制,由机器指令的操作码通过微地址形成部件形成,由微指令的下地址字段直接给出,(3) 微指令字长,由 20 个微操作,确定 操作控制字段 最少 20 位,由 38 条微指令,确定微指令的 下地址字段 为 6 位,微指令字长 可取 20 6 26 位,10.2,(4) 微指令字长的确定,1 条,18 条,其中,若用 Ad ( CMDR ) 直接送控存地址线,则 省去了输至 CMAR 的时间，省去了 CMAR,同理,可省去 19 条微指令，2 个微操作,38 19 19下地址字段最少取 5 位,10.2,20 2 18 操作控制字段最少取 18 位,18 位,考虑留有一定的余量,取操作控制字段,下地址字段,5 位,共 30 位,(6) 定义微指令操作控制字段每一位的微操作,10.2,(5) 省去了 CMAR 的控制存储器,3. 编写微指令码点,1,1,16,LDA,12,1,11,ADD,1,10,04,COM,03,CLA,1,1,1,01,1,1,00,微指令地址 (八进制),微程序 名称,微指令（二进制代码）,操作控制字段,下地址字段,1,17,取指,02,20,10.2,1,
