5.4 控制器的工作原理和功能

5.4.1 硬布线控制器

1、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

2、硬布线控制器的设计

1. 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

2. 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

3. 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

4. 电路设计

   1. 列出操作时间表

   2. 写出微操作命令的最简表达式

   3. 画出逻辑图

3、安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

4、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

5.4.2 微程序控制器

1、微程序控制器的设计思路

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

微程序控制器设计思路

• 程序：由指令序列组成

• 指令：对程序执行步骤的描述

• 微操作：每一条指令包含若干微操作，微命令与微操作一一对应

• 微指令：对指令执行步骤的描述，可能包含多个微命令

• 微程序：由微指令序列组成，指令与微程序一一对应

2、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：$微指令数量\times微指令字长$
• 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）

3、微指令的格式

（1）水平型微指令

一条微指令能定义多个可并行的微命令。

水平型微指令

• 优点

  • 微程序短

  • 执行速度快

• 缺点

  • 微指令长

  • 编写麻烦

（2）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

垂直型微指令

• 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

（3）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

4、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

（1）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

直接编码

• 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

（2）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

字段直接编码方式

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：$7+1=8\leq2^{3}$
• 第二个互斥类：$3+1=4\leq2^{2}$
• 第三个互斥类：$12+1=13\leq2^{4}$
• 第四个互斥类：$5+1=6\leq2^{3}$
• 第五个互斥类：$6+1=7\leq2^{3}$
• 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

（3）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

5、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

分支转移

• 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

6、微程序控制单元的设计

（1）设计步骤

1. 分析每个阶段的微操作序列

2. 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

3. 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

4. 编写微指令码点

（2）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）

7、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）