计算机组成原理学习（哈工大视频）第十章控制单元的设计

10.1组合逻辑设计

10.1.1组合逻辑控制单元框架
CU外特性：

节拍信号：时钟最基本的时间单位，节拍信号是在时钟的控制下产生的，节拍信号控制每一个微操作命令

10.1.2微操作的节拍安排：把微操作执行按照执行的先后顺序，安排在给定节拍中
采用同步控制方式：有一个统一的时钟信号，来控制各个部件之间的交换，控制各个控制信号的产生；若一个机器周期内有 3 个节拍（时钟周期），且CPU 内部结构采用非总线的方式：C0到C12的控制信号是 CU 在时钟下发出的控制信号

安排微操作时序的原则：（1）微操作的先后顺序不得随意更改；（2）被控对象不同的微操作，尽量安排在一个节拍内完成，既可以并行执行的微操作，其之间没有先后顺序，这样的微操作尽可能的安排在同一个节拍内完成；（3）占用时间较短的微操作，尽可能的安排在一个节拍内完成，并允许有先后顺序；
取指周期的微操作的节拍安排：

间址周期的微操作的节拍安排：

执行周期微操作的节拍安排：（假设是定长的指令，故取指周期和间址周期对于各个指令来说是一样的，但执行周期是对于不同的指令来说，是不同的）；
CLA（累加器ACC清零）；COM（把ACC内容按位取反，并把结果保存到ACC）；SHR（算术右移操作，把AC中的内容右移，并把符号位写回）；

CSL（循环左移指令）；STP（停机指令）；ADD X（加法操作，把X 这个内存单元中保存的内容，和累加器中的内容相加，再把结果放入ACC累加器）；STA X（存数操作，把累加器中存储的内容，保存到 X这个内存单元中）；

LDA X（取数指令，把内存单元中地址为 X 的内存中的内容取出，送入到CPU，并保存到ACC累加器中）；JMP X（跳转指令，跳转的指定的地址，既把X 这个地址送给 PC）；BAN X（分支指令，或条件转移指令，如果上一条指令的计算结果小于 0，跳转到指定 X，否则顺序执行，计算结果保存到ACC累加器中，可以利用A0这个符号位判断）；

中断周期微操作的节拍安排：中断周期内需要完成的三件事：保存断点，形成中断服务程序的入口地址，关中断

中断隐指令并不是一条指令，它是硬件需要完成的一些列操作，只是把它叫做中断隐指令，它只是完成一条指令周期当中，中断周期这个周期内他所完成的若干操作。
10.1.3组合逻辑设计的步骤
列出操作时间表：


写出微操作命令的最简表达式：

画出逻辑图：

特点：思路清晰，简单明了，但是庞杂，调试困难，修改困难，最终速度快（RISC）

10.2微程序设计

10.2.1 微程序设计思想的产生
一条机器指令对应了一个微程序，一个微程序当中包含了若干条微指令，每一个微指令包含了一个或者多个微操作的控制信号，微指令之间的先后顺序就是微操作在执行过程当中的先后顺序，把这些微指令或则由这些微指令构成的微程序保存到只读存储器中，执行的时候，把这些微指令一条一条的从只读存储器中读出，根据读出的微指令当中，有效控制信号的个数或则有效控制信号的位置，发出相应的信号，让计算机执行相应的操作，这种方式称为存储逻辑方式（包逻辑信号存储在存储器中，利用存储器对给定的存储单元进行读出，然后由这些信号控制相关的机构进行操作）

10.2.2微程序控制单元框图及工作原理
机器指令对应的微程序

微程序控制单元的基本框图：



工作原理：

取指阶段：执行取指微程序

执行阶段 ： 执行LDA微程序
取指阶段：执行取指微程序

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
10.2.3 微指令的编码方式（控制方式）
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，既需要多少操作控制命令，那么就可以将其设置为多少位

字段直接编码方式：将微指令的控制字段分成若干“段”，每段经过译码后发出控制信号 ，每段内的微指令互斥，段间的微指令命令可以并行
字段间接编码方式：
混合编码：直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用
10.2.4微指令序列地址的形成
微指令的下字段地址指出
根据机器指令的操作码形成
增量计数器（CMAR）+1——>CMAR
分支转移

通过测试网络（适用于计算机内小范围的跳转）
由硬件产生的微程序的入口地址： 第一条微指令的地址，由专门的硬件产生；中断周期，由硬件产生的中断周期微程序首地址；间址周期的首地址也可以由硬件直接产生；
微指令地址形成方式原理图 ：
微指令格式
水平型微指令：一次能够定义并执行多个并行操作（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 ）
垂直型微指令：类似机器指令操作码的方式，由微操作码字段规定的微指令的功能
两种微指令格式的比较：水平型的微指令比垂直型的微指令并行操作能力强，灵活性强；水平型的微指令执行一条机器指令所需要的微指令的数目少，速度快；水平型的微指令用较短的微程序结构换取较长的微指令结构；水平型的微指令与机器指令差别大；
9.2.6静态微程序设计和动态微程序设计
静态：微程序无需修改，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
9.2.7毫微程序设计：如果微程序给出的操作比较复杂，并且这个操作内部的毫微操作也有一定的先后顺序的话，那么就可以使用一个毫微程序来解释这个微程序；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指令，毫微指令和微指令的关系好比微指令和机器指令的关系；
毫微程序控制存储器的基本组成 ：
10.2.8串行微程序控制和并行微程序控制
10.2.9微程序设计举例
写出对应的机器指令的微操作及节拍安排 ，假设CPU结构和组合逻辑相同
确定微指令的格式：
微指令的编码方式（采用直接编码）；
后续微指令的地址形成方式（由机器指令的操作码通过微地址形成部件形成，或由微指令的下地址字段直接给出）；
微指令的字长（由20 个微操作，确定操作控制字段最少为 20位；所有的微程序一共由 38条微指令构成，控制存储器最小也要 38 条微指令，那么下地址字段要能够对这 38 条微指令进行寻址，故最少需要 6 位，故微指令的字长最少要20+6=26位）；
微指令字长的确定（38条微指令中有 19 条是关于后续微指令的地址——>CMAR,其中，1 条是 OP（IR）——>微地址形成部件——>CMAR，另外 18 条都是控制把当前这条微指令的下地址送给CMAR的，既Ad（CMDR）——>CMAR。那么，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，OP（IR）——>微地址形成部件——>控存地址线，可省去19条微令，2 个微操作，则38-19=19，下地址字段最少取 5 位，20-2=18，操作控制字段最少取18 位）
省去了CMAR的控制存储器：考虑到留有一定的余量，则取地址控制字段18位扩展到24位 ，下地址字段 5位扩展到 6 位，共有30 位。
定义微指令操作控制字段每一位的微操作：

编写微指令码点：