控制单元的组合逻辑设计

第十章 控制单元的设计
本章以10条机器指令为例，介绍控制单元的两种设计方法。
第一节 组合逻辑设计
一、组合逻辑控制单元框图
从控制单元的外特性图中可以看出，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2n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，如下图所示。

二、微操作的节拍安排
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内部结构为非总线结构，
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三点：
第一，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。
第二，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。
第三，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。

按上述三条原则，以第九章中所分析的10条指令为例，其微操作的节拍安排如下：
1．取指周期微操作的节拍安排
①根据原则二，T0节拍可安排两个微操作：PC→MAR，1→R；
②根据原则二，T1节拍可安排M（MAR）→MDR和(PC)+1→PC两个微操作。
③T2节拍可安排MDR→IR,考虑到指令译码时间较短，根据原则三，可将指令译码OP(IR)
→ID也安排T2节拍内；
实际上(PC)+1→PC操作也可安排在T2节拍内，因一旦PC→MAR后，PC的内容就可修改。

2．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)
3．执行周期微操作的节拍安排
·非访存指令
①清除累加器指令CLA。
该指令在执行周期只有一个微操作，按同步控制的原则，此操作可安排在T0～T2的任一
节拍内，其余节拍空，如
T0

T1
T2 0→AC
②累加器取反指令COM。
同理，用加器取反操作可安排在T0~T2的任一节拍中，即

T0
T1

T2
③算术右移一位指令SHR。
T0
T1
T2 L(AC)→R(AC)，AC0→AC0
④循环左移一位指令CSL。
T0
T1
T2 R(AC)→R(AC)，AC0→AC0(即ρ-1(AC))
⑤停机指令STP。
T0
T1
T2 0→G
·访存指令
①加法指令ADD X
T0 Ad(IR) →MAR, 1→R
T1 M(MAR) →MDR
T2 (AC)+（MDR）→AC，（该操作实际包括(AC) →ALU,(MDR) →ALU,ALU→AC）
②存数指令STA X。
T0 Ad(IR) →MAR, 1→W
T1 AC →MDR
T2 MDR→M(MAR)
③取数指令 LDA X。
T0 Ad(IR) →MAR, 1→R
T1 M(MAR) →MDR
T2 MDR→AC
·转移类指令
①无条件转移指令JMP X。
T0
T1
T2 Ad(IR)→PC
②有条件转移(负则转)指令BAN X。
T0
T1

T2
4．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进入中断周期， 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)：

T0 0→MAR, 1→W
T1 PC →MDR
T2 MDR→M(MAR),向量地址→PC
此外， CPU进入中断周期，由硬件置“0”允许中断触发器EINT，即关中断。
三、组合逻辑设计步骤
组合逻辑设计控制单元时，首先根据上述微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时
间表，然后写出每一个微操作命令(控制信号)的逻辑表达式，最后根据逻辑表达式画出相应
的组合逻辑电路图。

1．列出微操作命令的操作时间表
上表列出了上述10条机器指令微操作命令的操作时间表。表中FE、IND和EX为CPU
工作周期标志，T0～T2为节拍，I为间址标志，在取指周期的T2时刻，若测得I＝1，则置“1”
IND触发器，标志进入间址周期；若I＝0，则置“1”EX触发器，标志进入执行周期。同理，
在间址周期的T2时刻，若测得IND＝0(表示一次间址)，则置“1”EX，进入执行周期；若测
得IND＝1(表示多次间址)，则继续间接寻址。在执行周期的T2时刻，CPU要向所有中断源
发中断查询信号， 若检测到有中断请求并且满足响应条件，则置“1”INT触发器，标志进
入中断周期，表中未列出中断周期的微操作。表中第一行对应10条指令的操作码，代表不
同的指令。若某指令有表中所列的微操作命令，其对应的空格内为1。

2．写出微操作命令的最简逻辑表达式
纵览上表即可列出每一个微操作命令的初始逻辑表达式，经化简、整理便可获得能用现
成电路实现的微操作命令逻辑表达式。

例如，根据表可写出M（MAR）→MDR微命令的逻辑表达式：
M（MAR）→MDR
＝FE·T1+IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX·T1(ADD+LDA)
＝T1{FE+IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN)+EX（ADD+LDA）}
式中ADD、STA、LDA、JMP、BAN均来自操作码译码器的输出。
3．画出微操作命令的逻辑图
对应每一个微操作命令的逻辑表达式都可画出一个逻辑图。如M(MAR)→MDR的逻辑表达
式所对应的逻辑图如下图所示，图中未考虑门的扇入系数。

当然，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。
采用组合逻辑设计方法设计控制单元，思路清晰，简单明了，但因为每一个微操作命令
都对应一个逻辑电路，因此一旦设计完毕便会发现，这种控制单元的线路结构十分庞杂，也
不规范，犹如一棵大树，到处都是不规整的枝叉。而且指令系统功能越全，微操作命令就越
多，线路也越复杂，调试就更困难了。为了克服这些缺点，可采用微程序设计方案。但是，
随着RISC的出现，组合理辑设计仍然是设计计算机的一种重要方法。