(第十章控制单元的设计.docVIP

第十章　控制单元的设计 　　本章以10条机器指令为例，介绍控制单元的两种设计方法。 第一节　组合逻辑设计 一、组合逻辑控制单元框图 　　从控制单元的外特性图中可以看出，指令的操作码是决定控制单元发出不同控制信号的关键。为了简化控制单元的逻辑，将存放在IR的n位操作码经过一个译码电路产生2n个输出， 这样，每对应一种操作码便有一个输出送至CU。当然，若指令的操作码长度可变，指令译码线路将更复杂。　　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。 节拍的宽度应满足数据信息通过数据总线从源到目的所需的时间。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。如果将指令译码和节拍发生器从CU中分离出来，便可得简化的控制单元框图，如下图所示。 二、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内部结构为非总线结构，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。　　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，以第九章中所分析的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节拍可安排两个微操作：PC→MAR，1→R；　　②根据原则二，T1节拍可安排M（MAR）→MDR和(PC)+1→PC两个微操作。　　③T2节拍可安排MDR→IR,考虑到指令译码时间较短，根据原则三，可将指令译码OP(IR) →ID也安排T2节拍内；　　实际上(PC)+1→PC操作也可安排在T2节拍内，因一旦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，1→R 　　T1 M(MAR) →MDR 　　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。　　同理，用加器取反操作可安排在T0~T2的任一节拍中，即 　　T0 　　T1 　　T2 　　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)→R(AC)，AC0→AC0(即ρ-1(AC)) 　　⑤停机指令STP。 　　T0 　　T1 　　T2 0→G 　　·访存指令 　　①加法指令ADD X 　　T0 Ad(IR) →MAR, 1→R 　　T1 M(MAR) →MDR 　　T2 (AC)+（MDR）→AC，（该操作实际包括(AC) →ALU,(MDR) →ALU,ALU→AC） 　　②存数指令STA X。 　　T0 Ad(IR) →MAR, 1→W 　　T1 AC →MDR 　　T2 MDR→M(MAR) 　　③取数指令 LDA X。 　　T0 Ad(IR) →MAR, 1→R 　　T1 M(MAR) →MDR 　　T2 MDR→AC 　　·转移类指令 　　①无条件转移指令JMP X。 　　T0 　　T1 　　T2 Ad(IR)→PC 　　②有条件转移(负则转)指令BAN X。 　　T0 　　T1 　　T2 　　4．中断周期微操作的节拍安排 　　在执行周期的最后时刻， CPU要向所有中断源发中断查询信号，若检测到某个中断源有请求，并且未被屏蔽又被排队选中，则在允许中断的条件下，CPU进入中断周期， 此时CPU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 　　此外， CPU进入中断周期，由硬件置“0”允许中断触发器EINT，即关中断。 三、组合逻辑设计步骤 　　组合逻辑设计控制单元时，首先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，然后写出每一个微操作命令(控制信号)的逻辑表达式，最后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 　　上表列出了上述10条机器指令微操作命令的操作时间表。表中FE、IND和EX