控制单元设计举例

模型机指令系统极其简单，仅有15条指令，其中非访存指令9条、访存指令2条、控制指令4条，且转移目标和存储访问均为直接寻址。

假设模型机采用定长机器周期同步控制，且每个机器周期含有三个节拍T1→T2→T3。

对于模型机指令系统，由于寻址方式中没有设置间址寻址，所以不存在间址周期。

每个机器周期包含许多微操作及其控制信号，还需要根据机器周期的节拍和微操作的次序做出规定。

微操作及其控制信号的节拍安排需要遵循三个原则：①有些微操作的次序是不能改变的，在规定微操作的节拍时，必须满足微操作的先后次序；②操作对象不同的微操作，能在一个节拍内执行，则规定在同一个节拍内，以节省时间；③当有些微操作的时间短时，允许它们在一个节拍内执行且可保证先后次序。

由此，各种机器周期的微操作及其控制信号的节拍安排如下：
（1）取指周期。

T1 (PC)→MAR：PC out、MAR in；且MAR→ABUS为硬微操作，根据原则③也安排在T1节拍内。

T2 DBUS→MDR、(PC)+1→PC：Read、MDR in、(PC)+1；其中ABUS→M和M→DBUS由Read 控制。

T3 (MDR)→IR：MDRP out、IR in；且IR(OP)→ID→CU和ID译码、CU产生控制信号序列等微操作为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

（2）取数周期。

T1 IR(Add)→MAR：IR(Add)out、MAR in；且MAR→ABUS为硬微操作，根据原则③也安排在T1节拍内。

T2 DBUS→MDR：Read、MDR in；其中ABUS→M和M→DBUS由Read控制。

T3 (MDR)→AC：MDRP out、AC in。

（3）实施周期。

●累加器清0指令CLA
T1
T2
T3 AC清0：CLA
●累加器非指令COM
T1 (AC)→ALUR：AC out、ALUR in；且ALUR→ALU为硬微操作，根据原则③也安排在T1节拍内。

T2
T3 (ALUR)→AC：非、JPCL out、AC in；且ALU→JPCL为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

●累加器加1指令INC
T1
T2
T3 (AC)加1：(AC)+1
●累加器算术右移指令SHR
T1
T2
T3 AC算术右移：SHR
●累加器循环左移指令CSL
T1
T2
T3 AC循环左移：CSL
●停机指令STP
T1
T2
T3 G清0：R
●加法指令ADD GR i，EA
T1 AC→ALUX：AC out、ALUR in。

T2 GR i→PUS：GRi out。

T3 (ALUR)＋(PUS)→AC：＋、JPCL out、AC in，且ALUR→ALU和ALU→JPCL为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

●减法指令SUB GR i，EA
T1 AC→ALUX：AC out、ALUR in。

T2 GR i→PUS：GRi out。

T3 (ALUR)－(PUS)→AC：－、JPCL out、AC in，且ALUR→ALU和ALU→JPCL为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

●与指令AND GR i
T1 AC→ALUX：AC out、ALUR in。

T2 GR i→PUS：GRi out。

T3 (ALUR)∧(PUS)→AC：AND、JPCL out、AC in，且ALUR→ALU和ALU→JPCL为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

●或指令AND GR i
T1 AC→ALUX：AC out、ALUR in。

T2 GR i→PUS：GRi out。

T3 (ALUR)∨(PUS)→AC：OR、JPCL out、AC in，且ALUR→ALU和ALU→JPCL为硬微操作，根据原则③也安排在T3节拍内。

●无条件转移指令JMP EA
T1
T2
T3 IR(Add)→PC：IR(Add)out、PC in。

●零转移指令JZ EA
T1
T2
T3 Z=1时IR(Add)→PC：IR(Add)out(Z=1)、PC in(Z=1)，Z为结果为零标志位。

●进位转移指令JC EA
T1
T2
T3 C=1时IR(Add)→PC：IR(Add)out(C=1)、PC in(C=1)，C为结果为零标志位。

（4）存数周期。

T1 IR(Add)→MAR：IR(Add)out、MAR in(直接寻址存在该微操作，间址寻址不存在)；且MAR→ABUS为硬微操作，根据原则③也安排在T1节拍内。

T2 (AC)→MDR：Write、AC out、MDR in；其中ABUS→M由Write 控制。

T3 (MDR)→DBUS：MDR out；其中DBUS→M由Write 控制。

6.6.4 组合逻辑控制信号序列发生器设计
微操作控制信号的时序
PC out=FT·T1
MAR in=FT·T1＋ST·T1·(ADD＋SUB＋LDA)＋DT·T1·STA
Read=FT·T2＋ST·T2·(ADD＋SUB＋LDA)
IR(Add)out=ST·T1·(ADD＋SUB＋LDA)＋ET·T3·(JMP＋JZ·Z＋JC·C)＋DT·T1·STA SS= FT·T1·(ADD＋SUB＋LDA)
6.6.4 存储逻辑控制信号序列发生器设计
第0～25位为微操作控制信号，第26和27位为标志位。

END I为一条机器指令结束标志，END I=1表示机器指令处理结束；ZUB为微指令转移标志，ZUB=0表示转取指微程序入口地址(入口地址为0)或机器指令执行阶段微程序入口地址(由操作码生成)，ZUB=1表示顺序生成微地址。

本例由操作码生成机器指令执行阶段微程序入口地址的规则为：①执行阶段为1～2条微指令的微程序入口地址是“操作码高位补二个0＋11”；②执行阶段为3条微指令的微程序入口地址是“操作码高位补二个0＋低三位×100”；③执行阶段为3条微指令的微程序入口地址是“操作码高位补二个0＋低三位×101”。