第10章教案Word文件下载.docx
- 文档编号:22379244
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:244.32KB
第10章教案Word文件下载.docx
《第10章教案Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第10章教案Word文件下载.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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
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
T20→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
T2AC→AC
③算术右移一位指令SHR
T2L(AC)→R(AC),AC0→AC0
④循环左移一位指令CSL
T2R(AC)→L(AC),AC0→ACn
⑤停机指令STP
T2O→G
•访存指令
⑥加法指令ADDX
T0Ad(IR)→MAR,1→R
T1M(MAR)→MDR
T2(AC)+(MDR)→AC(实际含(AC)→ALU,(MDR)→ALU,ALU→AC)
⑦存数指令STAX
T0Ad(IR)→MAR,1→W
T1AC→MDR
T2MDR→M(MAR)
⑧取数指令LDAX
T2MDR→AC
•转移类指令
⑨无条件转移指令JMPX
T2Ad(IR)→PC
⑩有条件转移(负则转)指令BANX
T2A0•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):
T00→MAR,1→W
T1PC→MDR
T2MDR→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
工作周
期标记
节拍
状态条件
微操作命令信号
CAL
COM
SHR
CSL
STP
ADD
SAT
LDA
JMP
BAN
FE
(取指)
PC→MAR
1
1→R
M(MAR)→MDR
(PC)+1→PC
T2
MDR→IR
OP(m)→ID
I
1→IND
1→Ex
l
IND
(间址)
Ad(IR)→MAR
1一R
/IND
1→EX
EX
(执行)
1→W
(AC)→MDR
(AC)+(MDR)→AC
MDR→M(MAR)
MDR→AC
0→AC
/AC→AC
R(AC)→L(AC),ACo不变
ρ-1(AC)
Ad(IR)→PC
Ao
!
O→G
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:
=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。
10.2微程序设计
1微程序设计思想的产生
微程序设计思想由英国剑桥大学教授M.V.Wilkes在1951年提出。
•设想采用与存储程序类似的办法解决微操作命令序列的形成;
•将一条机器指令编写成一个微程序,每一个微程序包含若干条微指令,每一条微指令对应一个或几个微操作命令。
•微指令以二进制代码形式表示,每位代表一个控制信号;
•微程序存于控制存储器(简称控存);
优点:
•设计更简便,无需化简逻辑表达式,无需考虑逻辑门级数和门的扇入系数。
•修改微指令代码就可改变操作内容,便于调试、修改和仿真。
2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一条机器指令对应一个微程序(微操作命令序列)。
控制存储器
M
M+1
M+2
取指周期微程序
…
转执行周期微程序
间址周期微程序
转取指周期微程序
中断周期微程序
P
P+1
P+2
对应LDA操作的微程序
Q
Q+1
Q+2
对应ADD操作的微程序
K
K+1
K+2
对应STA操作的微程序
J
J+1
对应JMP操作的微程序
图3不同机器指令所对应的微程序
•每一条机器指令都与一个微程序对应。
•取指周期、间址周期和中断周期的操作编成独立的微程序;
(2).微程序控制单元的基本框图
标志
CLK
图4微程序控制单元的基本组成
图5微指令的基本格式
(3)、工作原理
假设有一个用户程序如下所示(存在2000H开设的主存空间内)
LDAX
ADDY
STAZ
微程序控制单元的工作原理:
首先将用户程序的首地址送至PC,然后进入取指阶段。
(1)取指阶段
①将取指周期微程序首地址M→CMAR:
②取微指令,将对应控存M地址单元中的第一条微指令读到控存数据寄存器中,记作CM(CMAR)→CMDR:
③产生微操作命令;
第一条微指令的操作控制字段中为“l”的各位发出控制信号,如PC→MAR,l→R,命令主存接受程序首地址并进行读操作。
④形成下一条微指令的地址:
微指令的顺序控制字段指出了下一条微指令的地址为M+1,将M+1送至CMAR。
⑤取下一条微指令;
将控存M+1地址单元的第二条微指令读到CMDR中,即
CM(CMAR)→CMDR
⑥产生微操作指令;
由第二条微指令的操作控制字段中对应“1”的各位发出控制信号,如M(MAR)→MDR使对应主存2000H地址单元中的第一条机器指令从主存中读出送至MDR中。
⑦形成下一条微指令的地址:
将第二条微指令下地址字段指出的地址M+2送至CMAR,即
Ad(CMDR)→CMAR
……
如此类推,直到取出取指周期最后一条微指令,并发出微命令为止,此时第一条机器指令LDAX已存至指令寄存器IR中。
(2)执行阶段
①取数指令微程序首地址的形成:
当取数指令存入IR后,其操作码OP(IR)直接送到微地址形成部件,该部件的输出即为取数指令微程序的首地址P,且将P送至CMAR,记作OP(IR)→CMAR.
②取微指令;
将对应控存P地址单元中的微指令读到CMDR中,即
CM(CMAR)→CMDR
由微指令操作控制字段中对应“1”的各位发出控制信号,如Ad(IR)→MAR,1→R,命令主存读操作数。
④形成下一条微指令的地址;
将此条微指令下地址字段指出的P+1送至CMAR,即Ad(CMDR)→CMAR
⑤取微指令,即CM(CMAR)→CMDR:
⑥产生微操作命令:
如此类推,直到取出取数指令微程序的最后一条微指令P+2,并发出微命令,至此即完成了将主存X地址单元中的操作数取至累加器AC的操作。
自此可见,对微程序控制单元的控存而言,内部信息一旦按所设计的微程序被灌注后,在机器运行过程中,只须具有读出的性能即可,故可采用ROM实现。
3微指令的编码方式
微指令的编码方式又叫微指令的控制方式,它是指如何对微指令的控制字段进行编码,以形成控制信号。
(1)、直接编码(直接控制)方式
•在微指令的操作控制字段中,每一位代表一个微命令,这种编码方式即为直接编码方式。
•控制字段中的某位为“l”表示控制信号有效,某位为“0”表示控制信号无效。
•特点含义清晰,但机器中微命令较多,可能使微指令操作控制字段达几百位,造成控存容量极大。
图6直接编码方式
(2)、字段直接编码方式
将微指令的操作控制字段分成若干段,每一段为一个微命令的编码,通过对字段译码后产生微命令。
•采用编码技术可以缩短微指令的长度。
•同一组的微命令相互排斥,不能并行。
•需要译码电路,使微程序的执行速度稍微减慢。
(3)、字段间接编码方式
与字段直接编码方式类似,但一个字段的某些微命令还需由另一个字段中的某些微命令来解释。
特点:
可以进一步缩短微指令字长,但因削弱了微指令的并行控制能力,因此通常用作字段直接编码法的一种辅助手段。
图7宇段直接编码方式
图8字段间接编码方式
4、混合编码
这种方法是把直接编码和字段编码(直接或间接)混合使用,以便能综合考虑微指令的字长、灵活性和执行微程序的速度等方面的要求。
5、其他
微指令中还可设置常数字段,用来提供常数、计数器初值等。
常数字段还可以和某些解释位配合,如解释位为0,表示该字段提供常数;
解释位为1,表示该字段提供某种命令,使微指令更灵活。
4微指令序列地址的形成
主要有两种常用方式:
(1)、直接由微指令的下地址字段指出
(2)、根据机器指令的操作码形成
当机器指令取至指令寄存器后,微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成。
微地址形成部件实际是一个编码器,其输入为指令操作码,输出就是对应该机器指令微程序的首地址。
它可采用PROM实现,以指令的操作码作为PROM的地址,而相应的存储单元内容就是对应该指令微程序的首地址。
(3)、增量计数器法
对于地址连续的微指令可采用增量计数方法,即(CMAR)+1→CMAR来形成后继微指令的地址。
(4)、分支转移
当遇到条件转移指令时,微指令出现了分支,必须根据各种标志来决定下一条微指令的地址。
微指令的格式为:
其中转移方式是指明判别条件,转移地址是指明转移成功后的去向,若不成功则顺序执行。
也有的转移微指令中设两个转移地址,条件满足时选择其中一个转移地址:
条件不满足时选择另一个转移地址。
(5)、通过测试网络形成
微指令的地址还可通过测试网络形成,如图10.9所示。
图中微指令的地址分两部分,高段h为非测试地址,由微指令的H段地址码直接形成;
低段l为测试地址,由微指令的L段地址码通过测试网络形成。
(6)、微程序入口地址
当电源加电后,第一条微指令的地址可由专门的硬件电路产生,也可由外部直接向CMAR输入微指令的地址,这个地址即为取指周期微程序的入口地址。
5微指令格式
(1)水平型微指令
水平型微指令的特点是一次能定义并执行多个并行操作的微命令。
从编码方式看,直接编码、字段直接编码、字段间接编码以及直接和字段混合编码都属水平型微指令。
其中直接编码速度最快,字段编码要经过译码,故速度受影响。
(2)垂直型微指令
垂直型微指令的特点是采用类似机器指令操作码的方式,在微指令字中,设置微操作码字段,由微操作码规定微指令的功能。
通常一条微指令有1-2个微命令,控制1—2种操作。
这种微指令不强调其并行控制功能。
(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,效率高,灵活性强。
2)水平型微指令执行一条机器指令所需的微指令数目少,因此速度比垂直型微指令快。
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,垂直型微指令正相反,它以较长的微程序结构换取较短的微指令结构
4)水平型微指令与机器指令差别较大,垂直型微指令与机器指令较为类似。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 10 教案