第28讲第10章控制单元的设计(10.1-10.2)

计算机组成原理课程教案（第28次课）章节名称第10章控制单元的设计（10.1~10.2）课时安排第14周2学时授课方式理论课教学环境及教具准备有投影仪的教室PPT多媒体教学课件教学目的让学生了解和掌握组合逻辑控制单元和微程序控制单元的设计思想、设计步骤、硬件组成及其工作原理教学重点对不同指令相应的微操作命令安排节拍，组合逻辑CU的设计思想、工作原理；微程序CU的设计思想、工作原理；比较两种CU微操作命令节拍安排的区别教学难点微程序控制单元框图及工作原理教学基本内容是否重、难点方法及手段10.1组合逻辑设计10.1.1组合逻辑控制单元框图10.1.2微操作的节拍安排10.1.3组合逻辑设计步骤10.2微程序设计10.2.1微程序设计思想的产生10.2.2微程序控制单元框图及工作原理10.2.3微指令的编码方式10.2.4微指令序列地址的形成10.2.5微指令的格式10.2.6静态微程序和动态微程序设计了解重点重点了解重点&难点重点重点了解了解多媒体讲解多媒体讲解举例讲解多媒体讲解举例讲解多媒体讲解多媒体讲解多媒体讲解多媒体讲解教学过程与设计复习旧课：多级时序系统是怎样进行定时的？引入新课：设计CU时需要考虑哪些因素，有几种设计方法?10.1组合逻辑设计10.1.1组合逻辑控制单元框图动画演示P395页图10.1示意带译码和节拍输入的简化的控制单元框图。其中指令的操作码是决定控制单元发出不同控制信号的关键。动画演示节拍信号图。10.1.2微操作的节拍安排假设机器采用同步控制方式，一个机器周期内有3个节拍T0、T1、T2（时钟周期），CPU内部结构采用非总线方式。（1）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。（2）取指周期微操作的节拍安排根据原则二，T0节拍安排：PC—MAR，1—R根据原则二，T1节拍安排：M（MAR）—MDR，（PC）+1—PC根据原则三，T2节拍安排：MDR—IR，OP（IR）—ID（3）间址周期微操作的节拍安排T0：Ad（IR）—MAR，1—RT1：M（MAR）—MDRT2：MDR—Ad（IR）（4）执行周期微操作的节拍安排不同指令执行周期的微操作是不同的，分别讨论非访存指令、访存指令和转移类指令的微操作。（5）中断周期微操作的节拍安排T0：0—MAR，1—WT1：PC—MDRT2：MDR—M（MAR），向量地址—PC10.1.3组合逻辑设计步骤（1）列出微操作命令的操作时间表按组合逻辑电路设计步骤，根据10条指令微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时间表。动画演示P402页表10.1操作时间表。（2）写出微操作命令的最简逻辑表达式经分析、化简、整理列出每个微操作命令的最简逻辑表达式。（3）画出微操作命令的逻辑图动画演示P403页图10.3产生M（MAR）—MDR命令的逻辑图。结论：在设计逻辑图时要考虑门的扇入系数和逻辑级数。如果采用现成芯片，还需选择芯片型号。组合逻辑设计方法思路清晰、简单明了，但线路结构庞杂，调试和维护困难。随着RISC的出现，组合逻辑设计方法因设计的CU电路速度快依然很有用。问题1：按组合逻辑方法设计逻辑图时要考虑什么问题？采用现成芯片要注意什么？10.2微程序设计微程序设计的关键是如何确定微指令的结构。10.2.1微程序设计思想的产生微程序设计思想是英国剑桥大学教授M.V.Wilkes在1951年首先提出的。Wilkes提出，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。然后把这些微程序存到一个控制存储器中，用寻找用户程序机器指令的方法来寻找每个微程序中的微指令——存储逻辑式。1964年4月世界上第一台微程序设计的机器IBM360研制成功。10.2.2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采用微程序设计方法设计控制单元的过程就是编写每一条机器指令的微程序。它是按执行每条机器指令所需的微操作命令的先后顺序而编写的。因此，一条机器指令对应一个微程序。动画演示P404页图10.4不同机器指令所对应的微程序。（2）微程序控制单元的基本框图动画演示P405页图10.5示意微程序控制单元的基本组成和微指令格式。点画线框内的控制存储器（简称控存CM）是微程序控制单元的核心部件，用来存放全部微程序。FLASH动画演示微程序控制器框图。FLASH动画演示机器指令与微指令关系。（3）工作原理结合图10.4和图10.5动态演示程序运行时微程序控制单元的工作过程。关键理解1：微指令的操作控制字段如何形成微操作命令？关键理解2：微指令的后继地址如何形成？10.2.3微指令的编码方式（控制方式）（1）直接编码方式特点是操作控制宇段中的每一位代表一个微命令。这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。（2）字段直接编码方式编码表示法把一组相斥性的微命令信号组成一个小组（即一个字段）；然后通过小组（字段）译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。优点是可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号，可使微指令字大大缩短。缺点是微程序的执行速度稍稍减慢。（3）字段间接编码方式一个字段的某些微命令还需要由另一个字段中的某些微命令来解释。进一步缩短了微指令字长，但降低了微指令的并行控制能力，作为字段直接编码的辅助手段。（4）混合表示法这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑微指令字长、灵活性和执行微程序速度等方面的要求。10.2.4微指令序列地址的形成（1）微指令的下地址字段指出（2）根据机器指令的操作码形成（3）增量计数器这种方法同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似。计数器方式的基本特点是：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。（4）分支转移一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。多路转移方式的特点是：能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。（5）通过测试网络（6）由硬件产生微程序入口地址第一条微指令地址由专门硬件产生中断周期由硬件产生中断周期微程序首地址动画演示P410页图10.11后续微指令地址形成方式的原理图。10.2.5微指令的格式（1）水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。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。（2）垂直型微指令微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能，称为垂直型微指令。垂直型微指令的结构类似于机器指令的结构。（3）两种微指令格式的比较：水平型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强，垂直型微指令则较差。水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。10.2.6静态微程序设计和动态微程序设计对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，而且这一组微程序设计好之后，一般无需改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计，采用ROM。通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计，采用EPROM。实验内容实验八带移位运算的模型机的设计与实现1．熟悉用微程序控制器控制模型机的数据通路。2．学习设计与调试计算机的基本步骤及方法。课内练习PPT多媒体教学课件后的课堂练习题课外作业P420~422页教材课后练习题10.2、10.6、10.15考核要求1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题2.本章主要考核微操作的节拍安排、微指令的两种编码方式的概念、水平微指令的设计参考资料[1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版),自编,2013教学后记学生通过控制单元的设计章节的学习，将进一步理解组合逻辑CU和微程序CU的设计思想、设计步骤及工作原理的区别与联系，但同样需要加强实验环节理论联系实践