5.4_控制器的工作原理和功能

硬布线控制器

硬布线控制器单元图

根据指令操作码、当前的机器周期、节拍信号、机器状态条件即可确定当前节拍下应发出什么微命令。

硬布线控制器

通过判断取值周期、节拍数和具体指令操作码，写出逻辑表达式
将逻辑表达式以电路实现

硬布线控制器的设计

分析每个阶段的微操作序列

会用到哪些指令
在什么阶段用到
在什么条件下用到

选择CPU控制方式

定长周期 & 不定长周期
每个机器周期几个节拍

安排微操作时序

哪些微操作在前，那些在后
每个节拍内安排多少指令

电路设计

列出操作时间表
写出微操作命令的最简表达式
画出逻辑图

排微操作时序的原则

微操作的先后顺序不得随意更改
- 先分析指令的依赖顺序
被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成
占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成，并允许有先后顺序
- 同样在CPU内部的寄存器之间的数据流可以安排在一个周期内
- 主存和内部寄存器之间的数据操作不能在一个节拍内

硬布线控制器的特点

一般用于RISC （精简指令集系统）
扩充指令较困难
执行速度很快，微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生

微程序控制器

微程序控制器的设计思路

若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；
若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；
采用存储程序思想，出厂前将所有指令的微程序存入控制器存储器中

微程序控制器的基本结构

微指令执行原理

控制存储器CM：存放微程序，由ROM构成
- 容量为：微指令数量×微指令字长微指令数量×微指令字长
CMAR（μPC）：微地址寄存器，相当于PC和MAR的作用
地址译码：处理微地址，转化为CM控制信号
CMDR（μIR）：存储从CM中取出的微指令，位数与微指令字长相等
微地址形成部件：通过IR中指定的操作码确定该指令对应的微指令序列的首微地址
顺序逻辑：控制微指令的执行顺序
- 可以通过机器指令的寻址特征判断寻址方式，决定是否要跳过间址周期
一个微程序理论上包括寻址周期微程序、间址周期微程序、执行周期微程序和中断周期微程序四个微程序段
取值周期、间址周期和中断周期的微程序通常是共用的
若有n条指令，则最少有n+1条微程序段（可能会没有间址周期和中断周期）

微指令工作过程

取机器指令

转微程序入口

执行首条微指令

取后续微指令

继续执行直到返回

微指令的格式

水平型微指令

一条微指令能定义多个可并行的微命令。

优点
- 微程序短
- 执行速度快
缺点
- 微指令长
- 编写麻烦

垂直型微指令

一条微指令只能定义一个微命令，由微操作码字段规定具体功能

优点
- 微指令短
- 简单规整，便于编写
缺点
- 微程序长
- 执行速度慢，工作效率低

混合型微指令

在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。

微指令较短，仍便于编写
微程序也不长，执行速度加快

微指令的编码方式

讨论水平型微指令中操作控制部分如何编码表示微指令

直接编码

在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令。
某位为“1”表示该控制信号有效

优点
- 简单直观
- 执行速度快
- 操作并行性好
缺点
- 微指令字长过长，导致CM容量需求极大S

字段直接编码方式

将微指令的控制字段分成若干“段” ，每段经译码后发出控制信号
分段原则
- 互斥性微命令分在同一段内，相容性微命令分在不同段内
- 每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间
- 一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令
  - 当某字段的长度为3位时，最多只能表示7个互斥的微命令，通常用000表示不操作

互斥性微命令：不允许并行完成的微命令

相容性微命令：允许并行完成的微命令

例：某计算机的控制器采用微程序控制方式，微指令中的操作控制字段采用字段直接编码法。共有33个微命令，构成5个互斥类，分别包含7、3、12、5和6个微命令，则操作控制字段至少有多少位?

第一个互斥类：7+1=8≤237+1=8≤23
第二个互斥类：3+1=4≤223+1=4≤22
第三个互斥类：12+1=13≤2412+1=13≤24
第四个互斥类：5+1=6≤235+1=6≤23
第五个互斥类：6+1=7≤236+1=7≤23
总字段数：3+2+4+3+3=15 位

优点 - 可以缩短指令字长

缺点 - 要通过译码电路后再发出微命令，因此比直接编码方式慢

字段间接编码

一个字段的某些微命令需由另一个字段中的某些微命令来解释，由于不是靠子段直接译码发出的微命令，故称为字段间接编码，又称隐式编码。

进一步缩短指令字长
执行更慢

微指令的地址形成方式

通过微指令的下地址字段指出
依据机器指令的操作码形成
- 机器指令放入IR
- 微地址形成部件通过机器指令的操作码部分形成微指令的地址
增量计数器法：（CMAR）+1 → CMAR，类似PC
分支转移
- 转移方式：指明判别条件
- 转移地址：指明转移成功后的去向

通过测试网络
由硬件产生微程序入口地址
- 取值周期的第一条微指令的地址由硬件自动给出

微程序控制单元的设计

设计步骤

分析每个阶段的微操作序列
写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排
- 写出每个周期所需要的微操作（与硬布线相同）
- 添加微程序控制器特有的微操作
  - 取值周期
    - 每条微指令执行结束之后：Ad(CMDR)→CMAR，指明下地址
    - 最后一条执行结束后：OP(IR)→微地址形成部件→CMAR，确定执行周期的微程序首地址
  - 执行周期
    - 指明下地址：Ad(CMDR)→CMAR
确定微指令格式
- 根据操作码的编码方式确定操作控制字段的位数
- 根据CM中的微指令总数确定顺序控制字段的位数
- 根据操作控制字段和顺序控制字段的长度确定微指令字长
编写微指令码点

微程序设计分类

静态微程序设计：
- 微程序无需改变
- 采用ROM
动态威程序设计
- 通过改变微指令和微程序改变机器指令
- 有利于仿真
- 采用EPROM

毫微程序设计：用毫微程序解释微程序（更进一步）

微程序控制器的特点

执行速度慢
较规整，易于扩充修改
适用于CISC（复杂指令集系统）