【计算机组成原理】中央处理器（四）—— 控制器的功能和工作原理
- 一、前言
- 二、硬布线控制器
- （一）、安排微操作时序的原则
- 1. 安排微操作时序-取指周期
- 2. 安排微操作时序-间址周期
- 3. 安排微操作时序-执行周期
- 4. 安排微操作时序-间址周期
- （二）、组合逻辑设计
- 三、微程序控制器
- （一）、微指令的设计
- （二）、微指令的格式
- 水平型微指令
- 垂直型微指令
- 混合型微指令
- （三）、微指令的编码方式
- 例题
- （四）、微指令的地址形成方式
- （五）、微程序控制单元的设计
- 微程序设计分类
- 硬布线与微程序的比较
- 总结
一、前言
根据 指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件，即可确定现在这个节拍下应该发出哪些“微命令”。
CU 发出一个微命令，可完成对应微操作。
如： 微命令1 使得 PCout、MARin 有效。完成对应的微操作1 (PC)→MAR
二、硬布线控制器
M（MAR）→MDR 微操作命令的逻辑表达式：
FE·T1 + IND·T1(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EX·T1(ADD+LDA)
（一）、安排微操作时序的原则
原则一 微操作的 先后顺序不得 随意 更改
原则二 被控对象不同 的微操作，尽量安排在 一个节拍 内完成
原则三 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
1. 安排微操作时序-取指周期
2. 安排微操作时序-间址周期
硬布线控制器的特点：
- 指令越多，设计和实现就越复杂，因此一般用于 RISC（精简指令集系统）
- 如果扩充一条新的指令，则控制器的设计就需要大改，因此扩充指令较困难。
- 由于使用纯硬件实现控制，因此执行速度很快。微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生。
3. 安排微操作时序-执行周期
4. 安排微操作时序-间址周期
（二）、组合逻辑设计
设计步骤：
- 列出操作时间表（列出在取指、间址、执行、中
断周期，T0、T1、T2 节拍内有可能用到的所有微操作） - 写出微操作命令的最简表达式
- 画出逻辑图
三、微程序控制器
指令是对程序执行步骤的描述，微指令是对指令执行步骤的描述。
（一）、微指令的设计
微命令与微操作一一对应，一个微命令对应一根输出线；有的微命令可以并行执行，因此一条微指令可以包含多个微命令
（二）、微指令的格式
相容性微命令：可以并行完成的微命令。
互斥性微命令：不允许并行完成的微命令。
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，编写微程序较麻烦。
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，便于编写微程序；
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。
（三）、微指令的编码方式
(1) 直接编码（直接控制）方式
(2) 字段直接编码方式
(3) 字段间接编码方式
字段间接编码方式的优点：可以缩短微指令字长 。
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 。
例题
（四）、微指令的地址形成方式
（五）、微程序控制单元的设计
- 对于补充微程序控制器特有的微操作
a. 取指周期：
Ad ( CMDR ) → CMAR
每条微指令结束之后都需要进行
OP ( IR ) → 微地址形成部件 → CMAR
取指周期的最后一条微指令完成后，要根据指令操作码确定 其执行周期的微程序首地址
b. 执行周期：
Ad(CMDR) → CMAR
每条微指令结束之后都需要进行
微程序设计分类
硬布线与微程序的比较
总结
