10.1-控制单元CU的组合逻辑设计
【README】
1.本文總結自bilibili《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；
2.精簡指令集RISC（簡單指令集合）采用的就是這種組合邏輯設計的硬連方式（非常重要）；
3.組合邏輯設計應用到RISC，進而應用到了 X86cpu的設計上（查看文末補充內容）；
【1】組合邏輯控制單元框圖
【1.1】CU外特性
CU要發出各種控制命令，這些控制信號是有先后關系的，每一個控制信號的發出都是由給定的時間點發出的，這種相互關系和時間點的確定，就是有節拍信號來控制的；
即需要節拍發生器；
機器主頻信號送入節拍發生器，進而產生節拍信號（T0到Tm）；
CU到底要產生什么控制命令，和現在執行的指令有直接關系；如指令在IR中，需要譯碼后才知道；n位操作碼具有2^n-1個結果；
CU到底發出什么控制信號，還和標志有關系；如跳轉指令；與跳轉條件是否成立有關；
假設，給定的控制信號有k+1個（C0 C1 …Ck）；有1個或幾個有效，幾個有效表示在一個節拍中這些控制信號可以并行操作的；
【1.2】節拍信號
系統時鐘是系統的最基本時間單位；節拍信號就是在時鐘的控制下產生的；在不同的時鐘周期處可以產生不同的節拍；
由節拍信號控制各種微操作命令發出的時間；
上圖的機器周期包含4個節拍；
| 【小結】機器周期與時鐘周期： 機器周期：完成一條基本操作所需要的時間（通常以訪存時間為基準）；一個機器周期可以劃分為多個時鐘周期； 時鐘周期：控制計算機操作的最小單位時間；一個時鐘周期可以產生1個或多個微操作命令（若微操作命令可以并行執行）； |
【2】微操作的節拍安排
【2.1】 安排微操作時序的原則
取指周期微操作的節拍安排：T0 T1 T2節拍都做了2個操作；即每個時鐘周期并行做了2個微操作；
【2.4】執行周期微操作的節拍安排
【2.4.1】指令及節拍安排
| CLA | 清零，把0送入acc寄存器 |
| COM | 取反 |
| SHR | 算術右移 |
?
| CSL | 循環移位 |
| STP | 停機操作 |
| ADD X | 加法操作 |
| STA X | 把累加器ACC的數據送入存儲單元X； |
?
| LDA X | 把存儲單元X的數據送入CPU的累加器ACC寄存器； |
| JMP X | 跳轉到給定地址X存儲的指令 |
| BAN X | 條件轉移指令； |
?
【3】 控制單元CU的組合邏輯設計
【3.1】組合邏輯設計步驟
對于 取指周期，間址周期，執行周期需要哪些微操作呢？
【3.1.1】取指周期微操作步驟
在節拍T0中，CLA COM ADD STA LDA JMP 指令的微操作都需要執行 PC -> MAR ，所以方格填1，這是1的含義；
1->IND : 進行間址周期；
1->EX : 進入執行周期；
【3.1.2】間址周期微操作步驟
?【3.1.3】執行周期微操作步驟
?【3.2】寫出微操作命令的最簡表達式
?根據微操作命令被用到的指令（如CLA COM），寫出表達式，從而化簡；作為組合邏輯電路的公式，如下：
上圖就是控制器CU的邏輯框圖；
精簡指令集RISC采用的就是這種組合邏輯設計的硬連方式；
現在處理器分為了兩類，1類是整型數處理單元，1類是浮點數處理單元；
而整型數控制單元就是采用上述的組合邏輯設計；
【小結】控制單元CU的組合邏輯設計總結
1）組合邏輯設計優點：思路清晰，簡單明了；
2）組合邏輯設計缺點：
- 電路復雜；
- 不易于擴展：因為每一個控制信號都需要單獨的電路，來完成控制信號的生成；如新增一條指令，就需要修改控制器，添加一個電路，因此成本非常高；
3）應用：精簡指令集RISC（簡單指令集合）采用的就是這種組合邏輯設計的硬連方式（非常重要）；
【補充】
以下內容轉自 wikipedia，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B2%BE%E7%AE%80%E6%8C%87%E4%BB%A4%E9%9B%86%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA
補充1）精簡指令集計算機（英語：reduced instruction set computer，縮寫：RISC）或簡譯為精簡指令集，是計算機中央處理器的一種設計模式。這種設計思路可以想像成是一家模塊化的組裝工廠，對指令數目和尋址方式都做了精簡，使其實現更容易，指令并行執行程度更好，編譯器的效率更高。目前常見的精簡指令集微處理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power ISA（包括PowerPC、PowerXCell）、RISC-V和SPARC等。
- 目前最常見的復雜指令集 x86 CPU，雖然指令集是CISC的，但因對常用的簡單指令會以硬件線路控制盡全力加速，不常用的復雜指令則交由微碼循序器“慢慢解碼、慢慢跑”，因而有“RISCy x86”之稱。
補充2）精簡指令集設計中常見的特征：
- 統一指令編碼（例如，所有指令中的op-code永遠位于同樣的比特位置、等長指令），可快速解譯：
- 泛用的寄存器，所有寄存器可用于所有內容，以及編譯器設計的單純化（不過寄存器中區分了整數和浮點數）；
- 單純的尋址模式（復雜尋址模式以簡單計算指令序列取代）；
- 硬件中支持少數資料類型（例如，一些CISC電腦中存有處理字節字符串的指令。這在RISC電腦中不太可能出現）。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的10.1-控制单元CU的组合逻辑设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： “开源 Windows”ReactOS
- 下一篇： 8.4-中断系统