计算机组成原理第九章（控制单元的设计）—第一节（组合逻辑设计）

Zevalin爱灰灰

于 2024-03-20 12:46:07 发布

阅读量1.2k

点赞数 33

分类专栏：计算机组成原理笔记文章标签：计算机组成原理

版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Zevalin/article/details/136872746

版权

计算机组成原理笔记专栏收录该内容

37 篇文章

订阅专栏

本文围绕《计算机组成原理》讲解了控制单元的组合逻辑设计，涉及操作码译码、控制信号生成、微操作节拍安排以及组合逻辑设计步骤，以微操作M(MAR)→MDR为例，详细阐述了指令处理过程中的关键环节。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

写在前面：

本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、组合逻辑控制单元框图

下图示出了控制单元的外特性，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。为了简化控制单元的逻辑，将存放在IR的n位操作码经过一个译码电路产生 $2^{n}$ 个输出这样，每对应一种操作码便有一个输出送至CU。当然，若指令的操作码长度可变，指令译码线路将更复杂。

控制单元的时钟输入实际上是一个脉冲序列，其频率即为机器的主频，它使CU能按一定的节拍（T）发出各种控制信号。节拍的宽度应满足数据信息通过数据总线从源到目的所需的时间。以时钟为计数脉冲，通过一个计数器（又称节拍发生器），便可产生一个与时钟周期等宽的节拍序列。如果将指令译码和节拍发生器从CU中分离出来，便可得简化的控制单元框图。

二、微操作的节拍安排

1、安排原则

假设机器采用同步控制，每个机器周期包含3个节拍，而且CPU内部结构如下图所示，其中MAR和MDR分别直接和地址总线和数据总线相连，并假设IR的地址码部分与MAR之间有通路。

安排微操作节拍时应注意以下3点：

①有些微操作的次序是不容改变的，故安排微操作节拍时必须注意微操作的先后顺序。

②凡是被控制对象不同的微操作，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。

③如果有些微操作所占的时间不长，应该将它们安排在一个节拍内完成，并且允许这些微操作有先后次序。

下面根据上一章介绍的10条指令为例进行节拍安排。

2、取指周期微操作的节拍安排

（1）根据原则②， $T_{0}$ 节拍可安排两个微操作：PC→MAR，1→R。

（2）根据原则②， $T_{1}$ 节拍可安排两个微操作：M(MAR)→MDR，(PC)+1→PC。

（3） $T_{2}$ 节拍可安排MDR→IR，考虑到指令译码时间较短，根据原则③，可将指令译码OP(IR)-ID也安排在 $T_{2}$ 节拍内。

（4）实际上(PC)+1→PC操作也可安排在 $T_{2}$ 节拍内，因为一旦PC→MAR后，PC的内容就可修改。

①M(MAR)→MDR：从主存取数据，用时较长，必须保证用一个时钟周期完成。

②MDR→IR：CPU内部寄存器间的数据传送，速度很快，用一个时钟周期完成它绰绰有余，可以紧接着安排另一条微命令。

3、间址周期微操作的节拍安排

（1） $T_{0}$ 节拍可安排两个微操作：Ad(IR)→MAR，1→R。

（2） $T_{1}$ 节拍可安排M(MAR)→MDR。

（3） $T_{2}$ 节拍可安排MDR→Ad(IR)。

4、执行周期微操作的节拍安排

（1）非访存指令：

①清除累加器指令CLA：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $0\rightarrow AC$

②累加器取反指令COM：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $\overline{AC}\rightarrow AC$

③算数右移一位指令SHR：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $L\left ( AC \right )\rightarrow R(AC)$ ， $AC_{0}\rightarrow AC_{0}$

④循环左移一位指令SCL：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $R\left ( AC \right )\rightarrow L(AC)$ ， $AC_{0}\rightarrow AC_{n}$

⑤停机指令STP：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $0\rightarrow G$

（2）访存指令：

①加法指令ADD X：

$T_{0}$ Ad(IR)→MAR，1→R

$T_{1}$ M(MAR)→MDR

$T_{2}$ (AC)+(MDR)→AC（该操作实际包括(AC)→ALU，(MDR)→ALU，ALU→AC）

②存数指令STA X：

$T_{0}$ Ad(IR)→MAR，1→W

$T_{1}$ AC→MDR

$T_{2}$ MDR→M(MAR)

③取数指令LDA X：

$T_{0}$ Ad(IR)→MAR，1→R

$T_{1}$ M(MAR)→MDR

$T_{2}$ MDR→AC

（3）转移类指令：

①无条件转移指令JMP X：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ Ad(IR)→PC

②有条件转移（负则转）指令BAN X：

$T_{0}$ （空）

$T_{1}$ （空）

$T_{2}$ $A_{0}\cdot Ad\left ( IR \right )+\overline{A_{0}}\cdot PC\rightarrow PC$

5、中断周期微操作的节拍安排

在执行周期的最后时刻，CPU要向所有中断源发中断查询信号，若检测到某个中断源有请求，并且未被屏蔽又被排队选中，则在允许中断的条件下，CPU进人中断周期，此时CPU由中断隐指令完成下列操作（假设程序断点存入主存0号地址单元内）：

$T_{0}$ 0→MAR，1→W

$T_{1}$   PC→MAR

$T_{2}$   MDR→M(MAR)，向量地址→PC

        关中断，将允许中断触发器清零，记作0→EINT（该操作可直接由硬件线路完成）

三、组合逻辑设计步骤

1、列出微操作命令的操作时间表

2、写出微操作命令的最简逻辑表达式

以M(MAR)→MDR微操作命令为例，可写出其逻辑表达式：

3、画出微操作命令的逻辑图

以M(MAR)→MDR微操作命令为例，可画出其逻辑图：

评论

被折叠的条评论为什么被折叠?

到【灌水乐园】发言

查看更多评论

添加红包

成就一亿技术人!

hope_wisdom

发出的红包

打赏作者

Zevalin爱灰灰 你的鼓励将是我创作的最大动力

¥1 ¥2 ¥4 ¥6 ¥10 ¥20

扫码支付：¥1

获取中

扫码支付

您的余额不足，请更换扫码支付或充值

实付元

使用余额支付

点击重新获取

扫码支付

钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。