1、控制單元的設計,第 十 章,1. 假設響應中斷時，要求將程序斷點存在堆棧內，并且采用軟件辦法尋找中斷服務程序的入口地址，試寫出中斷隱指令的微操作及節(jié)拍安排。 解：設軟件查詢程序首址為0號內存單元，則中斷隱指令的微操作命令及節(jié)拍安排如下：T0 0EINT，SPMART1 PCMDR，0 -W，SP+1SPT2 MDRM（MAR）T3 SPMAR T4 PSWMDR，0 -W，SP+1SPT5 0PC，MDRM（MAR） 由于題意中沒有給出確切的數據通路結構，故上述節(jié)拍分配方案的并行性較低。,2. 寫出完成下列指令的微操作及節(jié)拍安排（包括取指操作）。 （1）指令ADD R1，X完成將R1寄存器的內

2、容和主存X單元的內容相加，結果存于R1的操作。 （2）指令ISZ X完成將主存X單元的內容增1，并根據其結果若為0，則跳過下一條指令執(zhí)行。 解：該題題意中沒有指定數據通路，因此排序前應先設定一下。在此設采用單總線結構的CPU數據通路，且ALU輸入端設兩個暫存器C、D（見17題圖）。并設采用同步控制，每周期3節(jié)拍：,（1）指令ADD R1，X的微操作及節(jié)拍安排如下： 取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 R1C，M(MAR)MDR T2 MDRD 執(zhí)行周期2： T0 T1 T2

3、 +，ALUR1,（2）指令ISZ X的微操作及節(jié)拍安排（取指周期同（1），略）： 執(zhí)行周期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRC 執(zhí)行周期2： T0 +1，ALUMDR T1 0 -W T2 MDRM(MAR) (PC+1)Z （設Z為結果為0標志） 該指令的操作在一個執(zhí)行周期做不完，因此安排了兩個執(zhí)行周期。,3. 按序寫出下列程序所需的全部微操作命令及節(jié)拍安排。,解：由于題意未明確要求采用何種控制器結構，故仍按較簡單的組合邏輯時序關系安排節(jié)拍（單總線、同步控制，假設同上題）： LDA 306 指令： 取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，

4、M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期： T0 306(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRAC,ADD 307 指令：取指周期：同上。 執(zhí)行周期1： T0 307(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR，ACC T2 MDRD 執(zhí)行周期2： T0 T1 T2 +，ALUAC BAN 304 指令：取指周期：同上。 執(zhí)行周期： （設N為結果為負標志） T0 T1 T2 N304(IR)PC,STA 305 指令： 取指周期：同上。 執(zhí)行周期： T0 305(IR)MAR T1 ACMDR，0 -W T2 MDRM(MAR) STP 指令：

5、取指周期：同上。 執(zhí)行周期： T0 T1 T2 0G （G為停機標志。）,6. 已知帶返轉指令的含義如下圖所示，寫出機器在完成帶返轉指令時，取指階段和執(zhí)行階段所需的全部微操作及節(jié)拍安排。 主程序 子程序,M 帶返轉K M+1,JMP I K,K K+1,間址特征,解：假設同上題，仍按組合邏輯、單總線、同步控制安排，帶返轉指令的全部微操作及節(jié)拍如下： 取指周期： T0 PCMAR，1R （注：MMAR） T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期： T0 K(IR)MAR T1 PCMDR，0 -w （注：M+1MDR） T2 MDRM(MAR) K+1PC

6、,12. 能否說水平型微指令就是直接編碼的微指令，為什么？ 解：不能說水平型微指令就是直接編碼的微指令，因為符合水平型微指令特征的微指令都屬于水平型微指令，常見的有：直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼，及混合編碼等。直接編碼的微指令只是最典型的一種。,15. 設控制存儲器的容量為51248位，微程序可在整個控存空間實現(xiàn)轉移，而控制微程序轉移的條件共有4個（采用直接控制），微指令格式如下：,操作控制,順序控制,試問微指令中的三個字段分別為多少位？ 解：微指令各字段位數分配如下： 35 4 9,操作控制,順序控制,該微指令格式為水平型微指令。,19. 假設機器的主要部件有：程序計數器PC，指令寄

7、存器IR，通用寄存器R0、R1、R2、R3，暫存器C、D，ALU，移位器，存儲器地址寄存器MAR，存儲器數據寄存器MDR及存儲矩陣M。 （1）要求采用單總線結構畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數據流動方向。 （2）畫出ADD（R1），（R2）指令在取指階段和執(zhí)行階段的信息流程圖。 R1寄存器存放源操作數地址，R2寄存器存放目的操作數的地址。 （3）寫出對應該流程圖所需的全部微操作命令。,解： （1）采用單總線結構的CPU硬件框圖如下：,R/-W,P C,M A R,M D R,R3,D,移 位 器,I R,M,A L U,單總線（BUS）,R2,R1,R0,C,+ ,+1,圖中，數據流動方向

8、如箭頭所示。,（2）ADD（R1），（R2） （3）對應該流程圖所 指令流程圖如下： 需的全部微操作命令。 ,OP=？,PCMAR,MM讀,PC+1 PC,MDR IR,ADD,PCo，MARi 1 R +1（可與前一步并行） MDRo，IRi,R1o，MARi1 R MDRo，CiR2o，MARi1 RMDRo，Di,ADD ,R1MAR,MDRC,MM讀,R2MAR,MM讀,MDRD, B,+，D，MDRi0 -W公操作,（C）+（D）MDR,MM寫,B ,20. 假設機器的主要部件同上題，外加一個控制門G。 （1）要求采用雙總線結構（每組總線的數據流動方向是單向的），畫出包含上述部件的硬

9、件框圖，并注明數據流動方向。 （2）畫出SUB R1，R3完成（R1）-（R3）R1操作的指令周期信息流程圖（假設指令地址已放在PC中），并列出相應的微操作控制信號序列。,解： （1）雙總線結構的CPU硬件框圖如下：,圖中，數據流動方向如箭頭所示。,R/-W,P C,M A R,M D R,R3,移 位 器,I R,M,A L U,A總線,R0,C,+ ,+1,G,B總線,R1,R2,L,D,R,D,（2） SUB R1，R3指令周期流程圖如下：,OP=？,PCMAR,MM讀,PC+1 PC,MDR IR,SUB,PCo，G，MARi 1 R +1（可與前一步并行） MDRo，G，IRi,R1

10、o，G，CiR3o，G，Di-，D，G，R1i,SUB ,R1C,（C）-（D）R1,R3D,21. 下表給出8條微指令I1I8及所包含的微命令控制信號，設計微指令操作控制字段格式，要求所使用的控制位最少，而且保持微指令本身內在的并行性。,解：為使設計出的微指令操作控制字段最短，并且保持微指令本身內在的并行性，應采用混合編碼法。首先找出互斥的微命令組，為便于分析，將微命令表重畫如下：,由表中微命令的分布情況可看出：a、b、c、d、e微命令的并行性太高，因此不能放在同一字段中。另外，由分析可知，在2、3、4分組的互斥組中，3個一組的微命令互斥組對控制位的壓縮作用最明顯。因此，應盡可能多的找出3個

11、一組的互斥組?，F(xiàn)找出的互斥組有：cfj，dij，efh，fhi，bgj，ehj，efj等等。 從中找出互不相重的互斥組有兩個：dij，efh。則：微指令操作控制字段格式安排如下： 1 1 1 1 2 2,操作控制字段,各字段編碼分配如下：a 0 無操作； b 0 無操作； 1 a微命令； 1 b微命令c 0 無操作； g 0 無操作； 1 c微命令； 1 g微命令dij 00 無操作；efh 00 無操作； 01 d微命令； 01 e 10 i微命令； 10 f 11 j微命令； 11 h 注：每組都應為“無操作”留一種編碼。 與采用直接控制法比較： 直接控制法：10個微命令需10位操作控制位

12、； 本方案：10個微命令需8位操作控制位，壓縮了2位。,22. 設有一運算器通路如下圖所示（見教材423頁），假設操作數a和b（均為補碼）分別放在通用寄存器R2和R3中，ALU有+、-、M（傳送）三種操作功能，移位器可實現(xiàn)左移、右移和直送功能。 指出相容性微操作和相斥性微操作。 采用字段直接編碼方式設計適合于此運算器的微指令格式。 畫出計算2(a+b)R3的微程序流程圖，試問執(zhí)行周期需用幾條微指令？ 按設計的微指令格式，寫出滿足要求的微代碼。,解： 相斥性微操作有： 移位器傳送類3個：R、L、V； ALU操作類3個：+、-、M； A選通門控制類4個：MDRA、R1A、R2A、R3A； B選通門

13、控制類7個：PCB、R1B、-R1B、R2B、-R2B、R3B、-R3B； 注：由于ALU的A、B兩端有可能同時需要寄存器的輸出，且同一寄存器的輸出可能作源操作數使用，而輸入又可能接收運算結果，因此寄存器輸入輸出操作構成不完全互斥關系，分組情況可視設計需要而定。 相容性微操作有：ALU任一操作與+1操作相容； 寄存器輸入類操作相互相容； 移位器、ALU、A、B選通門、寄存器五大部件的操作在部件之間相互相容。, 采用字段直接編譯法設計微指令格式時，可按中找出的互斥類分組，并考慮和所有微操作相容的微命令需單獨設組，則微指令操作控制字段格式如下：19 0A B C D E F G H I J K3

14、3 2 2 1 3 2 1 1 1 1各字段編碼分配如下：A組（A選通門控制）： 000無操作； 100MDRA； 110R2A； 101R1A； 111R3A； B組（B選通門控制）： 000無操作； 100R2B； 001PCB； 101-R2B ； 010R1B； 110R3B ； 011-R1B； 111-R3B；,C組（ALU操作）： 00無操作； 10 +； 01 M； 11 -；D組（移位器傳送）：00無操作；10 R； 01 V； 11 L；E組（+1）： 0無操作； 1 +1；F組（寄存器輸出B）：000無操作；100R2out； 001PCout； 101-R2out ；

15、010R1out； 110R3out 011-R1out；111-R3out G組（寄存器輸出A）：00無操作；10R2out； 01R1out； 11R3out；H組（R1輸入）： 0無操作； 1R1in；I組（R2輸入）： 0無操作； 1R2in；J組（R3輸入）：0無操作； 1R3in；K組（PC輸入）：0無操作； 1PCin；, 由于題意只給出運算器通路，故取指周期微程序段省略。則計算2(a+b)R3指令的執(zhí)行周期微程序流程圖如下： 采用上述微指令格式時，實現(xiàn)此微程序流程只需一條微指令既可。, 按所設計的微指令格式，此微程序流程所用微指令對應的微代碼如下：110 11010 11 0110 10 0 0 1 0 討論：本題給出的運算器通路很接近實機，因此通路中微命令間的相容相斥關系就比較復雜。較難判斷的是寄存器輸入輸出類微命令之間的互斥關系，本題中這類關系并沒有限死，這就給我們的微指令格式設計帶來了一定的靈活性。盡管如此，設計原則仍需堅持。本設計方案所遵循的原則 操作之