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1、2020/8/21王道考研/1本节内容王道考研/CSKAOYAN.COM控制器设计硬布线控制器本节内容王道考研/CSKAOYAN.COM控制器设计硬布线控制器1王道考研/CSKAOYAN.COM本章总览本章总览22020/8/21王道考研/2王道考研/CSKAOYAN.COM内容回顾内容回顾高级语言代码高级语言代码指令1指令2指令3指令4指令5指令6取指周期(FE=1)间指周期(IND=1)执行周期(EX=1)中断周期(INT=1)T0：微操作1、微操作2T1：微操作3T2：微操作4T0：微操作5、微操作2T1：微操作6T2：微操作7T0：T1：微操作8T2：微操作9 、微操作6T0：T1：微
2、操作10T2：微操作11一个节拍内可以并行完成多个“相容的” 微操作同一个微操作可能在不同指令的不同阶段被使用CU发出一个微命令，可完成对应微操作。如： 微命令1 使得 PCout、MARin有效。完成对应的微操作1 (PC)MAR不同指令的执行周期所需节拍数各不相同。为了简化设计，选择定长的机器周期，以可能出现的最大节拍数为准（通常以访存所需节拍数作为参考）若实际所需节拍数较少，可将微操作安排在机器周期末尾几个节拍上进行根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”3王道考研/CSKAOYAN.COM硬布线控制器硬布线控制器控制单元CU
3、指令寄存器IR时钟标志(来自执行单元的反馈信息)操作码译码器n位操作码0 12!-1节拍发生器T!TT#CLK(机器主频)每个时钟周期发出一个节拍信号（循环发出）FE、IND、EX、INT（事实上这四个触发器集成在CU内部）根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”C0CkC1每个输出的控制信号对应一个微命令，也就是对应一个微操作可能来自运算器的PSW、ACC的符号位等；也可能来自I/O设备、主存如：要让 C1对应微操作 (PC)MAR，则将其接到 PCout、MARin即可所有指令的取指周期、T0节拍下一定要完成(PC)MAR。则可
4、知 C1=FE T0与门FET!C1Tips：逻辑表达式是电路的数学化描述42020/8/21王道考研/3王道考研/CSKAOYAN.COM颤抖吧！感受恐惧！颤抖吧！感受恐惧！M（MAR）MDR微操作命令的逻辑表达式：FET1+ INDT1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EXT1(ADD+LDA)&11&FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR的微操作控制信号&根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”注：一般不考电路，莫慌5王道考研/CSKAOYAN.COM硬布线控制器的设计硬布线控制
5、器的设计设计步骤：1. 分析每个阶段的微操作序列（取值、间址、执行、中断 四个阶段）2. 选择CPU的控制方式3. 安排微操作时序4. 电路设计假设采用同步控制方式（定长机器周期），一个机器周期内安排3个节拍。确定哪些指令在什么阶段、在什么条件下会使用到的微操作如何用3个节拍完成整个机器周期内的所有微操作？采用定长机器周期还是不定长机器周期？每个机器周期安排几个节拍？确定每个微操作命令的逻辑表达式，并用电路实现62020/8/21王道考研/4王道考研/CSKAOYAN.COM分析每个阶段的微操作序列分析每个阶段的微操作序列PC MARM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1
6、PC1 ROP ( IR ) ID取指周期（所有指令都一样）Ad(IR) MARM ( MAR ) MDRMDR Ad(IR)1 R间址周期（所有指令都一样）执行周期（各不相同）CLA0 ACclear ACC 指令ACC清零LDA XAd ( IR ) MARM ( MAR ) MDRMDR AC1 R取数指令，把X所指内容取到ACCJMP XAd ( IR ) PC无条件转移罗列出所有指令在各个阶段的微操作序列，就可以知道在什么情况下需要使用这个微操作根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”BAN XA0 Ad ( IR ) +
7、 A0 (PC) PCBranch ACC Negative条件转移，当ACC为负时转移注：很多地方把ACC简写为AC注：中断周期内的微操作序列就不分析了，原理类似负数符号位为1注：ID 是指令译码器Instruction Decoder7王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序的原则安排微操作时序的原则原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间较短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序82020/8/21王道考研/5王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-取指周期取指
8、周期原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间较短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序在(1)之后存储器空闲即可(1) PC MAR(3) M ( MAR ) MDR(4) MDR IR(6) ( PC ) + 1 PC(2) 1 R(5) OP ( IR ) ID在(3)之后在(4)之后在(1)之后9王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-取指周期取指周期原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间较
9、短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序在(1)之后存储器空闲即可T0T1T2(1) PC MAR(3) M ( MAR ) MDR(4) MDR IR(6) ( PC ) + 1 PC(2) 1 R(5) OP ( IR ) ID在(3)之后在(4)之后在(1)之后T0T1T2两个微操作占用时间较短，根据原则三安排在一个节拍M ( MAR ) MDR从主存取数据，用时较长，因此必须一个时钟周期才能保证微操作的完成MDR IR 是CPU内部寄存器的数据传送，速度很快，因此在一个时钟周期内可以紧接着完成 OP ( IR ) ID。也就是可以一次同时发出两个微命令。102020/
10、8/21王道考研/6王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-间址周期间址周期原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间较短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序T0T1T2(1) Ad(IR) MAR(3) M ( MAR ) MDR(4) MDR Ad(IR)(2) 1 RT011王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-执行周期执行周期原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间
11、较短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序 CLAT0T1T20 ACclearACC清零 COM T0T1T2AC ACcomplementACC取反 SHRT0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )T2shift算术右移 CSLR ( AC ) L ( AC )，AC0 ACnT0T1T2cyclic shift循环左移 STP0 GT0T1T2stop停机122020/8/21王道考研/7王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-执行周期执行周期 CLAT0T1T20 ACclearACC清零 COM T0T1T2AC ACcom
12、plementACC取反 SHRT0T1T2AC0 AC0L ( AC ) R ( AC )T2shift算术右移 CSLR ( AC ) L ( AC )，AC0 ACnT0T1T2cyclic shift循环左移 STP0 GT0T1T2stop停机(1) 非访存指令(2) 访存指令 STA XT0T1T2AC MDRMDR M ( MAR )Ad ( IR ) MAR ，1 W存数指令隐含ACC ADD XT0T1T2M ( MAR ) MDR( AC ) + ( MDR ) ACAd ( IR ) MAR，1 R加法指令隐含ACC LDA XT0T1T2Ad ( IR ) MARM (
13、 MAR ) MDRMDR AC，1 R取数指令隐含ACC(3) 转移指令 JMP XT0T1T2Ad ( IR ) PCjump无条件转移 BAN XT0T1T2A0 Ad ( IR ) + A0 (PC) PCBranch ACCNegative条件转移13王道考研/CSKAOYAN.COM安排微操作时序安排微操作时序-中断周期中断周期原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改原则二 被控对象不同 的微操作尽量安排在 一个节拍 内完成原则三 占用 时间较短 的微操作尽量 安排在 一个节拍 内完成并允许有先后顺序内部数据通路空闲即可存储器空闲即可(1) a MAR(4) ( PC ) MDR
14、(5) MDR M(MAR)(6) 向量地址 PC(2) 1 W在(3)之后在(3)之后T0T1T2T0T2(3) 0 EINTT0硬件关中断这些操作由中断隐指令完成中断周期的三个任务：1. 保存断点2. 形成中断服务程序的入口地址3. 关中断注：中断隐指令不是一条指令，而是指一条指令的中断周期由硬件完成的一系列操作设计步骤：1. 分析每个阶段的微操作序列2. 选择CPU的控制方式3. 安排微操作时序4. 电路设计142020/8/21王道考研/8王道考研/CSKAOYAN.COM组合逻辑设计组合逻辑设计设计步骤：1. 列出操作时间表2. 写出微操作命令的最简表达式3. 画出逻辑图列出在取指、
15、间址、执行、中断周期，T0、T1、T2 节拍内有可能用到的所有微操作15王道考研/CSKAOYAN.COM组合逻辑设计组合逻辑设计设计步骤：1. 列出操作时间表间址特征STPCSLSHRIT2T1T0FE取指JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EXIBAN111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111非访存指令111111111111111162020/8/21王道考研/9
16、王道考研/CSKAOYAN.COM组合逻辑设计组合逻辑设计设计步骤：1. 列出操作时间表间址周期标志STPCSLSHRT2T1T0IND间址JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记BAN非访存指令Ad (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND111111111111111111111111117王道考研/CSKAOYAN.COM组合逻辑设计组合逻辑设计设计步骤：1. 列出操作时间表T2T1T0EX执行JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信号状态条件节拍工作周期标记BANAd (IR) MAR1 RM(MAR)
17、MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 WACACA0Ad(IR)PCAd(IR)PC11111111111111112. 写出微操作命令的最简表达式182020/8/21王道考研/10王道考研/CSKAOYAN.COM微操作信号综合微操作信号综合STPCSLSHR?T2T1T0FE?JMPLDASTAADDCOMCLA?PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EX?BAN111111111111111111111111111111STPCSLSHRT2T1T0IND?J
18、MPLDASTAADDCOMCLA?BANAd (IR) MAR1 RM(MAR) MDR MDR Ad (IR)1 EXIND1111111111111111111111111T2T1T0EX?JMPLDASTAADDCOMCLA?BANAd (IR) MAR1 RM(MAR) MDR AC MDR(AC)+(MDR) ACMDR M(MAR) MDR AC0 AC1 WAC ACA0Ad(IR)PCAd(IR)PC1111111111111111M（MAR）MDR微操作命令的逻辑表达式：FET1+ INDT1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EXT1(ADD+LDA)=T1F
19、E+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)19王道考研/CSKAOYAN.COM画出逻辑图画出逻辑图M（MAR）MDR微操作命令的逻辑表达式：FET1+ INDT1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EXT1(ADD+LDA)=T1FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX(ADD+LDA)&11&INDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDR的微操作控制信号&根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”FE202020/8/21王道考研/11王道考研/CSKAOYAN.COM硬布线控制器的设计硬布线控制器的设计设计步骤：1. 分析每个阶段的微操作序列2. 选择CPU的控制方式3. 安排微操作时序4. 电路设计(1) 列出操作时间表(2)写出微操作命令的最简表达式(3)画出逻辑图硬布线控制器的特点：指令越多，设计和实现就越复杂，因此一般用于 RISC（精简指令集系统）如果扩充一条新的指令，则控制器的设计就需要大改，因此扩充指令较困难。由于使用纯硬件实现控制，因此执行速度很快。微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生。21