10.1-控制单元CU的组合逻辑设计

【README】

1.本文总结自bilibili《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；

2.精简指令集RISC（简单指令集合）采用的就是这种组合逻辑设计的硬连方式（非常重要）；

3.组合逻辑设计应用到RISC，进而应用到了 X86cpu的设计上（查看文末补充内容）；

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【1】组合逻辑控制单元框图

【1.1】CU外特性

CU要发出各种控制命令，这些控制信号是有先后关系的，每一个控制信号的发出都是由给定的时间点发出的，这种相互关系和时间点的确定，就是有节拍信号来控制的；
即需要节拍发生器；

机器主频信号送入节拍发生器，进而产生节拍信号（T0到Tm）；
CU到底要产生什么控制命令，和现在执行的指令有直接关系；如指令在IR中，需要译码后才知道；n位操作码具有2^n-1个结果；

CU到底发出什么控制信号，还和标志有关系；如跳转指令；与跳转条件是否成立有关；
假设，给定的控制信号有k+1个（C0 C1 …Ck）；有1个或几个有效，几个有效表示在一个节拍中这些控制信号可以并行操作的；

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【1.2】节拍信号

系统时钟是系统的最基本时间单位；节拍信号就是在时钟的控制下产生的；在不同的时钟周期处可以产生不同的节拍；
由节拍信号控制各种微操作命令发出的时间；
上图的机器周期包含4个节拍；

【小结】机器周期与时钟周期： 机器周期：完成一条基本操作所需要的时间（通常以访存时间为基准）；一个机器周期可以划分为多个时钟周期； 时钟周期：控制计算机操作的最小单位时间；一个时钟周期可以产生1个或多个微操作命令（若微操作命令可以并行执行）；

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【2】微操作的节拍安排

【2.1】 安排微操作时序的原则

1. 原则一：微操作的先后顺序不得修改；如只有把指令送入IR后，才可以把IR中的指令送入CU进行译码；
2. 原则二：被控制对象不同的微操作，尽量安排在一个节拍内；即可以并行执行的微操作，微操作没有先后顺序，这样的微操作会安排在同一个节拍中（因为操作的对象不同）；
3. 原则三：占用时间短的微操作，尽量安排在一个节拍内，且有先后顺序；如一个在上升沿，一个在下降沿；

取指周期微操作的节拍安排：T0 T1 T2节拍都做了2个操作；即每个时钟周期并行做了2个微操作；

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【2.4】执行周期微操作的节拍安排

【2.4.1】指令及节拍安排

CLA	清零，把0送入acc寄存器
COM	取反
SHR	算术右移

 

CSL	循环移位
STP	停机操作
ADD X	加法操作
STA X	把累加器ACC的数据送入存储单元X；

 

LDA X	把存储单元X的数据送入CPU的累加器ACC寄存器；
JMP X	跳转到给定地址X存储的指令
BAN X	条件转移指令；

 

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【3】 控制单元CU的组合逻辑设计

【3.1】组合逻辑设计步骤

对于 取指周期，间址周期，执行周期需要哪些微操作呢？

【3.1.1】取指周期微操作步骤

在节拍T0中，CLA COM ADD STA LDA JMP 指令的微操作都需要执行 PC -> MAR ，所以方格填1，这是1的含义；

1->IND : 进行间址周期；
1->EX : 进入执行周期；

【3.1.2】间址周期微操作步骤

 【3.1.3】执行周期微操作步骤

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 【3.2】写出微操作命令的最简表达式

 根据微操作命令被用到的指令（如CLA COM），写出表达式，从而化简；作为组合逻辑电路的公式，如下：

上图就是控制器CU的逻辑框图；
精简指令集RISC采用的就是这种组合逻辑设计的硬连方式；
现在处理器分为了两类，1类是整型数处理单元，1类是浮点数处理单元；
而整型数控制单元就是采用上述的组合逻辑设计；

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【小结】控制单元CU的组合逻辑设计总结

1）组合逻辑设计优点：思路清晰，简单明了；

2）组合逻辑设计缺点：

• 电路复杂；
• 不易于扩展：因为每一个控制信号都需要单独的电路，来完成控制信号的生成；如新增一条指令，就需要修改控制器，添加一个电路，因此成本非常高；

3）应用：精简指令集RISC（简单指令集合）采用的就是这种组合逻辑设计的硬连方式（非常重要）；

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【补充】

以下内容转自 wikipedia，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B2%BE%E7%AE%80%E6%8C%87%E4%BB%A4%E9%9B%86%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA

补充1）精简指令集计算机（英语：reduced instruction set computer，缩写：RISC）或简译为精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式。这种设计思路可以想像成是一家模块化的组装工厂，对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。目前常见的精简指令集微处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power ISA（包括PowerPC、PowerXCell）、RISC-V和SPARC等。

• 目前最常见的复杂指令集 x86 CPU，虽然指令集是CISC的，但因对常用的简单指令会以硬件线路控制尽全力加速，不常用的复杂指令则交由微码循序器“慢慢解码、慢慢跑”，因而有“RISCy x86”之称。

补充2）精简指令集设计中常见的特征：

• 统一指令编码（例如，所有指令中的op-code永远位于同样的比特位置、等长指令），可快速解译：
• 泛用的寄存器，所有寄存器可用于所有内容，以及编译器设计的单纯化（不过寄存器中区分了整数和浮点数）；
• 单纯的寻址模式（复杂寻址模式以简单计算指令序列取代）；
• 硬件中支持少数资料类型（例如，一些CISC电脑中存有处理字节字符串的指令。这在RISC电脑中不太可能出现）。