考研笔记-计算机之计算机组成原理:控制单元

表-控制相关概念

术语

功能定义

功能实现

（微）命令

控制实现微操作的命令

由控制部件发出

微操作

由（微）命令控制实现的最基本操作

由执行部件执行

指令

控制实现操作（一系列微操作）的命令

分割成一系列（微）命令

操作

由指令控制实现的一系列微操作

分割成一系列微操作

说明：

1) 关系图

表-硬连线（组合逻辑）设计与微程序（存储逻辑）设计

微操作命令序列的形成方法

控制信号生成方式

设计步骤

具体实现

硬连线（组合逻辑）设计

微操作命令（即控制信号）由逻辑电路产生。

1） 列出所有微操作命令的操作时间表；

包括工作周期（即指令周期中的机器周期）、节拍（即机器周期中的节拍）、状态条件、微操作命令信号、操作码等项。

2） 写出所有微操作命令各自的最简逻辑表达式；

其中，m为每个机器周期中包含的节拍数，n为操作码的位数，

当机器周期M_i包含微操作命令MOP时，机器周期M_i=1，否则机器周期M_i=0；

当机器周期M_i的节拍T_j包含微操作命令MOP时，节拍T_j=1，否则节拍T_j=0；

当操作码k在机器周期M_i的节拍T_j需微操作命令MOP时，操作码k=1；

3） 画出所有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，即每一个微操作命令对应一个逻辑电路。

微程序（存储逻辑）设计

微操作命令（即控制信号）由微指令的操作码控制字段中的有效位（为1）产生。

1） 写出对应机器指令的微操作及节拍安排；

微操作Ad(CMDR)→CMAR只能在微指令送至CMDR（即CM(CMAR)→CMDR）这一微操作完成后的下一时钟周期完成，而微指令打入到CMDR中（即CM(CMAR)→CMDR）均发生在微操作Ad(CMDR)→CMAR的下一时钟周期T的上升沿，而一旦微指令打入到CMDR中，该微指令对应的微操作便同步执行了（即CM(CMAR)→CMDR和CMDR中控制信号的执行是同时完成的）。（寄存器的当前保存内容和寄存器的当前输出内容是相同的，当寄存器的“内容”改变时，寄存器的输出立刻随之改变，永远保持一致。实际上寄存器并未在“内部”真正“存放”内容，只不过寄存器的输出端的有效信号可以保持不变，表现为好像寄存器“内”存放着输出端的信号，寄存器的输出端的有效信号是通过寄存器“内”的逻辑电路生成的）

2） 确定微指令格式；

微指令格式包括微指令的编码方式、后续微指令的地址形成方式和微指令字长等3个方面。

3） 编写每条微指令的二进制代码（称为微指令码点）；

编写每条微指令的二进制代码（称为微指令码点）；

表-微程序设计

微程序设计的原理

在微程序设计中，每条机器指令对应一个微程序，每个微程序包含若干条微指令，每条微指令对应若干个微操作命令。微程序存储在控制存储器中。微指令以二进制代码的形式表示，每位代表一个控制信号，若该位为1，表示该控制信号有效，若该位为0，表示该控制信号无效。

不同指令的取指周期、间址周期和中断周期对应的操作是相同的，因而所有的指令共用取指周期微程序、间址周期微程序和中断周期微程序。控存中微程序的总个数为机器指令（不同指令的执行周期微程序不同）数加上取指周期、间址周期和中断周期的3个微程序。

微指令的基本格式

相关寄存器

CMAR:控存地址寄存器（功能类似MAR+PC），存放预读取的微指令的地址；

CMDA:控存数据寄存器（功能类似MDR+IR），存放从控存中读出的微指令（无数据，控存CMEM中存放的是对应机器指令操作码部分的微程序指令）；

表-微指令的控制字段的编码方式

微指令格式

编码方式

实现方法

水平型微指令

直接编码

每位代表一个微操作命令（1-有效，0-无效）

可以将某些微操作命令（这些命令对于所有微指令而言总是同时全部出现或全部不出现）合用一位代码来控制，这样可以压缩指令的操作控制字段，缩短微指令字长。

字段直接编码

（显式编码）

段内互斥，段间并行（互斥指同一时刻至多有1个操作命令有效，可能全无效，即不发微指令的状态）；

字段的位数由互斥的微操作命令数+1（字段内各位全无效，即不发微指令的状态）决定；

字段间接编码

（隐式编码）

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；

混合编码

直接编码+字段（直接/间接）编码

常数字段

垂直型微指令

微指令操作码字段（微操作码）

由微指令操作码字段规定微指令的功能，类似机器指令的操作码的方式

说明：

1） 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，垂直型微指令用较长的微程序结构换取较短的微指令结构；

2） 水平型微指令比垂直型微指令并行能力强、效率高、灵活性强；

3） 水平型微指令执行一条机器指令所需的微指令数目少，速度比垂直型微指令快；

表-微指令序列地址的形成方式

微指令序列地址的形成方式

(CMAR)+1→CMAR

形成当前微程序的微指令序列中顺序执行的下一条微指令的地址

微指令的下地址字段

形成微指令序列中跳转执行的下一条微指令的地址，条件测试字段应包含一种不转移的情况

Op(IR)经微地址形成部件编码

形成不同指令各自的执行周期微程序的首地址

微程序入口地址（取指、间址、中断），硬件方式

形成不同指令共用的取指周期微程序、间址周期微程序和中断周期微程序的首地址

表-微程序设计分类

微程序设计分类

控制存储器

指令系统

优点

静态微程序设计

ROM

指令系统固定

动态微程序设计

EPROM

指令系统可变

有利于仿真

表-毫微程序设计

毫微程序结构

微指令类型

特点

关系

第一级微程序

垂直型微指令

并行操作能力不强，但有严格的顺序结构，由它确定后续微指令的地址，当需要时可调用第二级。第一级微程序主要用于执行顺序的控制。

垂直型微指令和水平型微指令不是一条一条地对应，而是由水平型微指令（即毫微指令）组成的毫微程序去执行垂直型微指令的操作。毫微指令与微指令的关系好比微指令与机器指令的关系。

第二级微程序

水平型微指令

并行操作能力很强，但不包含后续微指令的地址，第二级微程序执行完毕后返回到第一级微程序。第二级微程序用于执行操作的具体实现。

说明：

1) 毫微程序设计采用两级微程序的设计方法，第一级微程序为垂直型微指令，第二级微程序为水平型微指令，两级微程序分别存放在两级控制存储器内。