前置知识

CPU的设计步骤

  • 拟定指令系统
    • 格式、寻址方式、指令类型
  • 确定总体结构
    • 寄存器、ALU、数据通路
  • 安排时序
    • 设置时序信号
  • 拟定指令流程和微命令序列
    • 画流程图（寄存器传送级）、列微操作时间表
  • 形成控制逻辑

用到的相关思想和结论

image.png 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应该发出哪些微命令

组合逻辑设计

组合逻辑控制单元框图

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应该发出哪些微命令

  1. 指令操作码：
  • 指令的操作码是决定控制单元发出不同控制信号的关键
    • 将存放在IR的n维操作码经过一个译码电路产生2^n个输出，每对应一种操作码便有一个输出送至CU

  1. 目前的机器周期： FE IND EX INT这四个触发器判断目前处于的机器周期状态（这四个触发器集成在CU内部）

  2. 节拍信号： 根据节拍发生器的输出，依次让不同的节拍输出高电平

控制单元的时钟输入实际上是一个脉冲序列，其频率等于机器主频，它使CU能按一定的节拍发出各种控制信号，以时钟为计数脉冲，通过一个计数器（节拍发生器），便可产生一个与时钟周期等宽的节拍序列

  1. 机器状态条件 标志---来自于执行单元的反馈信息

  2. 总结 image.png

组合逻辑设计步骤

  1. 引入 faa8a51abc3a266c457653488f65e327.jpg
  2. 整体流程
  • 分析每个阶段的微操作序列（取指、间址、执行、中断）
    • 确定哪些指令在什么阶段、在什么条件下会用到的微操作
  • 选择CPU的控制方式
    • 定长机器周期/不定长机器周期
    • 每个机器周期安排几个节拍
  • 安排微操作时序
    • 如何用上述确定的节拍内完成整个周期内所有的微操作
  • 电路设计
    • 确定每个微操作命令对应的逻辑表达式，并用电路实现
    • 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
  1. 详细说明 假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍 (1)分析每个阶段的微操作序列 image.png （2）选择CPU的控制方式 假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍 （3）安排微操作时序🔆 安排微操作时序的原则/注意点：
  • 有些微操作的次序是不容改变的，安排微操作节拍时必须注意微操作的先后顺序
  • 凡是被控对象不同的微操作（硬件资源不冲突），若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，以节省时间
  • 如果有些微操作所占的时间不长，应该将他们安排在一个节拍内完成，并且允许这些微操作有先后顺序（短时可挤）

取指周期： 639715e3e943ec47d194b719265916f0.jpg

image.png

间址周期： T0 Ad(IR) → MAR 1 → R T1 M(MAR) → MDR T2 MDR → Ad(IR)

执行周期： 若实际所需的节拍数较少，可将微操作安排在机器周期末尾几个节拍进行 image.png

中断周期： 假设程序断点存入主存0号地址单元 T0 0 → MAR, 1 → W T1 PC → MDR T2 MDR → M(MAR), 向量地址 → PC 假设程序断点存入堆栈 T0 (SP)-1 → MAR, 1 → W T1 PC → MDR T2 MDR → M(MAR), 向量地址 → PC

（4）电路设计

  • 列出操作时间表
    • 列出在取指、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
  • 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
  • 每一个微操作命令都对应一个逻辑电路，这种控制单元的线路结构十分庞杂，不规范
  • 指令系统功能越全，微操作命令越多，线路越复杂，调试困难，修改困难
  • 使用纯硬件实现控制，速度快
  • 一般用于RISC

补充题型

指令字长=n倍存储字长 若指令ADD Addr（ACC寄存器内容加上以Addr为地址的内存单元内容，结果存在ACC寄存器中）为两字指令，第一个字中包含操作码，第二个字中包含地址码 （采用大端序，高8位操作码，低8位地址码） 写出取指周期微操作流程 【很像间接寻址，只是多了PC+1->PC，是为了取得形式地址】 image.png 取形式地址--->取实际地址--->取数

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