5.4控制器的功能和工作原理

硬布线控制器

设计步骤：
1.分析每个阶段的微操作序列（取值、间址、执行、中断四个阶段）
确定哪些指令在什么阶段、在什么条件下会使用到的微操作
2.选择CPU的控制方式
采用定长机器周期还是不定长机器周期？每个机器周期安排几个节拍？
3.安排微操作时序
如何用3个节拍完成整个机器周期内的所有微操作？
4.电路设计
确定每个微操作命令的逻辑表达式，并用电路实现

分析每个阶段的微操作序列

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

取指周期

M(MAR)->MDR 从主存取数据，用时较长，因此必须一个时钟周期才能保证微操作的完成
MDR->IR 是CPU内部寄存器的数据传送，速度很快，因此在一个时钟周期内可以紧接着完成OP(IR)->ID。也就是可以一次同时发出两个微命令
间指周期

执行周期

组合逻辑设计

设计步骤：
1.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
2.写出微操作命令的最简表达式
3.画出逻辑图



微操作信号综合

画出逻辑图

微程序控制器的基本原理

硬布线控制器：微操作控制信号由组合逻辑电路根据当前的指令码、状态和时序，即时产生
微程序控制器的设计思路
采用“存储程序”的思想，CPU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

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

1. 水平性微指令

一条微指令能定义多个可并行的微指令
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

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
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

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

微指令的编码方式

微指令的编码方式又称为微指令的控制方式，它是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号。编码的目标是在保证速度的情况下，尽量缩短微指令字长。

1. 直接编码（直接控制）方式

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，n个微命令就要求微指令的操作字段有n位，造成控存容量极大

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
微命令字段分段的原则：

• 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，表示被字段不发出任何微命令。因此，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

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

3. 字段间接编码方式

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，由于不是靠字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

优点：可进一步缩短微指令字长
缺点：削弱了微指令的并行控制能力，故通常作为字段直接编码方式的一种辅助手段

微指令的地址形成方式

1. 微指令的下地址字段指出

微指令格式中设置一个下地址字段，由微指令的下地址字段直接指出后继微指令的地址，这种方式又称为断定方式

2. 根据机器指令的操作码形成

当机器指令取指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成

3. 增量计数器法 （CMAR）+1 -> CMAR
4. 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

5. 通过测试网络

6. 由硬件产生微程序入口地址

第一条微指令地址 由专门硬件产生（用专门的硬件记录取指周期微程序首地址）
中断周期 由 硬件 产生 中断周期微程序首地址（用专门的硬件记录）

微程序控制单元的设计

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
3. 确定微指令格式
4. 编写微指令码点

微程序设计分类

硬布线与微程序的比较