文章目錄

• 控制器的組成及指令的執(zhí)行
• • 基本的計(jì)算機(jī)組成和功能
  • 控制器的組成
  • 時(shí)序及控制方式
• 數(shù)據(jù)通路和指令的執(zhí)行過(guò)程
• • 簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)各部件的實(shí)現(xiàn)方案
  • 簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中指令的執(zhí)行過(guò)程
  • MIPS單周期CPU的數(shù)據(jù)通路和指令的執(zhí)行過(guò)程
• 硬布線控制器
• • 控制器的設(shè)計(jì)方法
  • 硬布線控制器的結(jié)構(gòu)與原理
  • 硬布線控制器的時(shí)序系統(tǒng)
  • 硬布線控制器的設(shè)計(jì)舉例
  • MIPS硬布線多周期CPU的設(shè)計(jì)
• 微程序控制器
• • 微程序控制的基本概念和工作原理
  • 簡(jiǎn)單微程序控制器的設(shè)計(jì)
  • 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)
  • 微程序控制方式下模型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例
  • 微程序控制器與硬布線控制器的比較

控制器的組成及指令的執(zhí)行

根據(jù)指令協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件進(jìn)行有條不紊的工作

基本的計(jì)算機(jī)組成和功能

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成
  
  中央處理器CPU，存儲(chǔ)器，IO系統(tǒng)他們之間通過(guò)總線連接。
  從物理上來(lái)說(shuō)，總線就是一組導(dǎo)線，其作用是把一些信息從一個(gè)部件傳到另一個(gè)部件，源部件先將數(shù)據(jù)輸出到總線上，然后目的部件再?gòu)目偩€上接收這些數(shù)據(jù)。
• 地址總線來(lái)自于CPU或總線主設(shè)備。
• 數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU，存儲(chǔ)器和IO設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。
• 控制總線包含了許多單向控制信號(hào)線和單/雙向的狀態(tài)信號(hào)線。
• 一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有分層次的主線
  CPU使用來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器和IO控制器。
  IO控制器通過(guò)二級(jí)（局部）總線來(lái)訪問(wèn)IO設(shè)備。
• CPU的基本功能
  指令控制：確保計(jì)算機(jī)指令按程序的順序執(zhí)行。
  操作控制：一條指令的功能通常由若干個(gè)操作信號(hào)（微操作）組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU控制這些微操作的產(chǎn)生，組合，傳送和管理。
  時(shí)間控制：使各種微操作和指令的執(zhí)行嚴(yán)格按照時(shí)間序列進(jìn)行。
  數(shù)據(jù)加工：由運(yùn)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。
• 取指令周期：取出指令并譯碼。
  執(zhí)行指令周期：執(zhí)行指令。

控制器的組成

控制器的功能：從存儲(chǔ)器中取指令，對(duì)指令譯碼，產(chǎn)生控制信號(hào)并控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件有序的執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)這條指令的功能。

• 程序計(jì)數(shù)器PC
  專(zhuān)門(mén)的寄存器來(lái)保存指令的地址，即指令地址寄存器。
  存放當(dāng)前正執(zhí)行的指令地址或下一條指令的地址。
  具有自加一功能的計(jì)數(shù)器。
  指令順序執(zhí)行時(shí)，由程序計(jì)數(shù)器本身的遞增功能來(lái)產(chǎn)生下一條指令的地址。
  當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令，由指令直接提供轉(zhuǎn)移地址，或在控制器的控制下由運(yùn)算器形成轉(zhuǎn)移地址，結(jié)果送PC作為下一條指令的地址。
• 指令寄存器IR
  控制器從內(nèi)存中取出的指令，存放在IR中，以便控制器對(duì)指令進(jìn)行譯碼，執(zhí)行。
  可將IR擴(kuò)充為指令隊(duì)列，或稱(chēng)指令棧，允許預(yù)取多條指令。
• 指令譯碼器
  對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼以識(shí)別該指令所要求的操作。
  將指令寄存器中的操作碼字段輸入指令譯碼器，操作碼經(jīng)譯碼后的信號(hào)與操作控制信號(hào)形成部件一起產(chǎn)生該指令所需要的，有一定時(shí)序關(guān)系的操作控制信號(hào)序列。
• 操作控制信號(hào)形成部件
  根據(jù)指令操作碼的譯碼信號(hào)及時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生取出指令和執(zhí)行這條指令所需的各種操作控制信號(hào)，以便正確的建立數(shù)據(jù)通路，完成取出指令和執(zhí)行指令的控制。
• 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器
  提供時(shí)鐘信號(hào)和機(jī)器周期信號(hào)，以規(guī)定每個(gè)操作的時(shí)間。
• 地址寄存器AR
  收納可能有多種來(lái)源的地址，統(tǒng)一在規(guī)定的節(jié)拍將地址送上總線。
• 數(shù)據(jù)寄存器DR
  CPU把數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲(chǔ)器或IO設(shè)備時(shí)，CPU會(huì)將數(shù)據(jù)送入DR，然后再將數(shù)據(jù)從DR送至總線。
  CPU從存儲(chǔ)器或IO設(shè)備接受數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)送上DR，然后從DR將數(shù)據(jù)送到CPU內(nèi)部的某部件中。

時(shí)序及控制方式

• 時(shí)序信號(hào)
  一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制信號(hào)一般均由若干個(gè)周期狀態(tài)，若干個(gè)節(jié)拍電位和若干個(gè)節(jié)拍脈沖這樣三級(jí)時(shí)序來(lái)對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，在時(shí)間上對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行約束，以便對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

  指令周期：取出一條指令并完成該指令的執(zhí)行所需要的時(shí)間。
  機(jī)器周期：又稱(chēng)CPU周期，指CPU與內(nèi)存交換一次信息所需要的時(shí)間。一個(gè)指令周期可能有若干個(gè)機(jī)器周期。
  時(shí)鐘周期：又稱(chēng)節(jié)拍周期，是處理操作的最基本時(shí)間單位，即T周期。一個(gè)CPU周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期。

  把一個(gè)機(jī)器周期分成若干個(gè)相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，稱(chēng)為節(jié)拍電位信號(hào)，節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本操作的時(shí)間。

  一個(gè)機(jī)器周期需要多少個(gè)節(jié)拍取決于該周期內(nèi)需要順序完成的基本操作步數(shù)。

  統(tǒng)一節(jié)拍法
  以最復(fù)雜的機(jī)器周期為基準(zhǔn)，每一節(jié)拍的時(shí)間長(zhǎng)短也以最繁瑣的微操作為基準(zhǔn)，使所有的機(jī)器周期長(zhǎng)度相等，每一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)含有相同數(shù)目的節(jié)拍，稱(chēng)定長(zhǎng)機(jī)器周期。

  分散節(jié)拍法
  根據(jù)實(shí)際需要安排節(jié)拍數(shù)，稱(chēng)不定長(zhǎng)機(jī)器周期。

  延長(zhǎng)節(jié)拍法
  大多數(shù)機(jī)器周期采用相同的基本節(jié)拍數(shù)，若某個(gè)機(jī)器周期內(nèi)按規(guī)定的基本節(jié)拍數(shù)無(wú)法完成該周期的全部微操作，則可延長(zhǎng)節(jié)拍。

  時(shí)鐘周期插入
  不設(shè)置節(jié)拍，直接使用時(shí)鐘周期信號(hào)。一個(gè)機(jī)器周期中含有若干個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期的數(shù)目取決于機(jī)器周期內(nèi)要完成的微操作個(gè)數(shù)，一個(gè)機(jī)器周期的基本時(shí)鐘周期數(shù)確定后，可以不斷插入等待時(shí)鐘周期。
  

• 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器
  
  時(shí)鐘源
  由石英晶體振蕩器和與非門(mén)組成的正反饋振蕩電路組成。
  為環(huán)形脈沖發(fā)成器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
  環(huán)形脈沖發(fā)成器
  產(chǎn)生一組有序的，間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過(guò)譯碼電路產(chǎn)生節(jié)拍脈沖。
  節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序譯碼
  啟停邏輯控制
  控制原始的節(jié)拍脈沖只在啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行的情況下允許時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)出CPU所需的節(jié)拍脈沖。同樣讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)也需要由啟停控制邏輯來(lái)控制。
  
  當(dāng)D觸發(fā)器為Q端輸出1時(shí)，原始節(jié)拍脈沖提供CPU所需要的節(jié)拍信號(hào)，反之，關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器。
  由于啟動(dòng)和停機(jī)是隨機(jī)的，當(dāng)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)時(shí)，要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開(kāi)始工作，停機(jī)一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器，使發(fā)送出的脈沖是完整的，由右側(cè)的SR觸發(fā)器保證。

• 控制方式
  不同指令的指令周期所需要的機(jī)器周期數(shù)不等，反映了指令的復(fù)雜程度，即控制信號(hào)的多少。對(duì)一個(gè)機(jī)器周期來(lái)說(shuō)也有操作控制信號(hào)的多少和出現(xiàn)的次序問(wèn)題。

  同步控制方式（固定時(shí)序控制方式或無(wú)應(yīng)答控制方式）
  采用相同的機(jī)器周期數(shù)，和相同的節(jié)拍脈沖來(lái)形成每條指令的操作控制信號(hào)序列，因此每條指令的執(zhí)行用時(shí)都是相同的。以微操作序列最長(zhǎng)的為標(biāo)準(zhǔn)，確定控制微操作運(yùn)行的時(shí)鐘周期數(shù)（節(jié)拍數(shù)），控制器產(chǎn)生統(tǒng)一的，順序固定的，周而復(fù)始的節(jié)拍電位（機(jī)器周期信號(hào)）和節(jié)拍脈沖（時(shí)鐘周期信號(hào)）。
  電路簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度慢。

  異步控制方式（可變時(shí)序控制方式或應(yīng)答控制方式）
  每條指令需要多少節(jié)拍就產(chǎn)生對(duì)少節(jié)拍，當(dāng)指令執(zhí)行完畢后，發(fā)出回答信號(hào)，控制器收到回答信號(hào)后，開(kāi)始下條指令的執(zhí)行。
  運(yùn)行效率高，電路復(fù)雜。

  聯(lián)合控制方式
  大部分指令安排在統(tǒng)一的機(jī)器周期內(nèi)完成，即同步控制。較少數(shù)的特殊指令，或微操作序列過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，或時(shí)間難以確定，采用異步控制來(lái)完成。
  一般的設(shè)計(jì)思想是功能部件內(nèi)部采用同步控制方式，功能部件之間采用異步控制方式。

數(shù)據(jù)通路和指令的執(zhí)行過(guò)程

• 在所有需要傳送數(shù)據(jù)的部件之間創(chuàng)建一條直接通路，對(duì)很小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可行。
• 在CPU內(nèi)部創(chuàng)建一條總線，各個(gè)部件之間使用總線來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)各部件的實(shí)現(xiàn)方案

• 運(yùn)算器
  

• 控制器
  
  通常情況下，PC+1信號(hào)會(huì)與脈沖信號(hào)相連接，
  有一些計(jì)數(shù)器芯片在寫(xiě)入時(shí)需要打入脈沖，并且靠脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，因此，把數(shù)據(jù)總線上的值送入PC時(shí)，需要控制信號(hào)B-PC#=0且PC+1有效，打入脈沖由PC+1提供。

• 存儲(chǔ)器
  

簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中指令的執(zhí)行過(guò)程

• 指令格式
  

• 取指令
  控制器先將第一條指令的地址置入PC，PC將當(dāng)前指令地址送到AR，同時(shí)PC內(nèi)容加一，指向下一條指令的地址，AR的輸出通過(guò)地址總線送到存儲(chǔ)器的地址端，指明指令所在的地址單元，控制器發(fā)出讀控制信號(hào)，控制從存儲(chǔ)器中讀出這條指令，該指令通過(guò)DB送到IR。

  指令取到IR后，立即由指令譯碼器對(duì)其進(jìn)行分析譯碼，指令譯碼器首先判斷該指令是什么指令，然后將判斷結(jié)果傳遞給操作控制信號(hào)形成部件。

  取指令階段對(duì)于所有指令來(lái)說(shuō)，其操作控制信號(hào)都是相同的。

• 執(zhí)行指令
  操作控制信號(hào)形成部件根據(jù)指令譯碼信息和時(shí)序周期信號(hào)，發(fā)出該指令所需的所有部件的有一定時(shí)序關(guān)系的控制信號(hào)序列。完成指令的執(zhí)行。

  指令的執(zhí)行階段對(duì)于不同的指令，其操作控制信號(hào)是不同的。
  

MIPS單周期CPU的數(shù)據(jù)通路和指令的執(zhí)行過(guò)程

• 設(shè)計(jì)步驟
  分析MIPS的指令格式，以及每種格式下指令的功能。
  根據(jù)指令的功能，羅列所需器件和器件之間的鏈接方式。
  確定每個(gè)器件所需的控制信號(hào)。

• 取指令
  

• 更新版
  
  指令存儲(chǔ)器是一個(gè)只讀存儲(chǔ)器，根據(jù)PC提供的地址讀取對(duì)應(yīng)單元存放的指令，因此不需要讀控制信號(hào)。

  MIPS指令長(zhǎng)度為32位，因此，指令存儲(chǔ)器的寬度也設(shè)計(jì)成32位，PC的32位地址對(duì)應(yīng)的是字節(jié)地址，實(shí)際訪存是取PC的高30位為地址來(lái)訪存，PC的最后兩位用于選擇讀出的是32位指令字中的哪一個(gè)字節(jié)，一次訪存取出一條指令，4個(gè)字節(jié)。

  由于指令存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器，只要指令地址在執(zhí)行期間保持不變，那么從指令存儲(chǔ)器取出的代碼就會(huì)維持不變，因此取消了指令寄存器。

  每次取指令后，PC應(yīng)自增4。添加一個(gè)PC_new來(lái)暫存PC自增值，在指令周期（也就是時(shí)鐘周期）clk的上升沿執(zhí)行取指令操作，在clk的下降沿更新PC值。

  系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)PC復(fù)位，添加復(fù)位信號(hào)rst。

• R型指令數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)
  所有R型指令，OP相同，指令功能有功能碼func指出。
  rs，rt為源操作數(shù)
  rd為目的操作數(shù)

  添加多端口寄存器堆和多功能運(yùn)算器
  
  寄存器堆寫(xiě)操作邊沿觸發(fā)，寫(xiě)操作的輸入信號(hào)必須在始終邊沿來(lái)臨時(shí)已經(jīng)有效。
  ALU不需要時(shí)鐘，但需要時(shí)鐘脈沖來(lái)置標(biāo)志位。
  
  當(dāng)前指令的操作碼OP和func字段由指令譯碼部件處理：首先根據(jù)OP字段判斷指令類(lèi)型，然后將func字段翻譯成ALU的控制信號(hào)ALU_OP，以指定ALU的運(yùn)算功能。

  在clk的上升沿，啟動(dòng)指令存儲(chǔ)器，依據(jù)PC讀出指令，在clk高電平持續(xù)期間，完成PC值的自增，指令譯碼，寄存器讀操作。隨后完成ALU運(yùn)算。在clk的下降沿完成目的寄存器的寫(xiě)入，PC值的更新和標(biāo)志寄存器的更新。將clk返向后作為寄存器堆，PC和標(biāo)志寄存器的打入脈沖。

  指令對(duì)標(biāo)志寄存器影響的規(guī)律
  傳送類(lèi)和跳轉(zhuǎn)類(lèi)指令不影響標(biāo)志位
  有符號(hào)算術(shù)運(yùn)算類(lèi)指令影響ZF（零標(biāo)志位）和OF（溢出標(biāo)志位）
  無(wú)符號(hào)算術(shù)運(yùn)算類(lèi)指令和邏輯運(yùn)算類(lèi)指令影響ZF
  條件轉(zhuǎn)移類(lèi)指令一般會(huì)使用標(biāo)志位ZF

• I型指令數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)
  數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令，訪存指令，分支指令和含立即數(shù)的指令一般采用I型指令。

  rs，立即數(shù)為源地址
  rd為目的地址
  
  增加二選一數(shù)據(jù)選擇器，支持目的寄存器的兩種來(lái)源
  對(duì)于R型指令，目的寄存器是rd，對(duì)于I型指令，目的寄存器是rt。
  在指令機(jī)器碼輸出與寄存器堆模塊的寫(xiě)地址輸入端口前設(shè)置一個(gè)二選一選擇器。
  設(shè)置一個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制將那個(gè)字段送入寫(xiě)地址。

  增加器件，使指令低16位的立即數(shù)imm經(jīng)過(guò)擴(kuò)展，與rs執(zhí)行運(yùn)算操作
  對(duì)有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，用16位立即數(shù)的最高位填充高16位，構(gòu)成32位數(shù)。對(duì)于無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，執(zhí)行零擴(kuò)展。
  設(shè)置一個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展還是零擴(kuò)展。
  對(duì)于有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算指令和存取數(shù)指令需要符號(hào)擴(kuò)展。
  對(duì)于無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算類(lèi)指令進(jìn)行0擴(kuò)展。

  增加二選一數(shù)據(jù)選擇器，支持ALU運(yùn)算數(shù)據(jù)的兩種來(lái)源rt或imm。
  設(shè)置一個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)來(lái)源。
  
  EA=（rs）+offset

  增加一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，存放指令訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。
  該存儲(chǔ)器讀操作不需要脈沖，寫(xiě)操作需要脈沖。
  設(shè)置控制信號(hào)控制，控制信號(hào)有效且clk下降沿到來(lái)時(shí)寫(xiě)存儲(chǔ)器。

  使用ALU實(shí)現(xiàn)對(duì)EA的計(jì)算。
  操作數(shù)是rs和經(jīng)過(guò)符號(hào)擴(kuò)展的offset，計(jì)算的結(jié)果EA直接送存儲(chǔ)器地址端口。

  存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)
  在對(duì)寄存器的寫(xiě)入端口出設(shè)置一個(gè)二選一多路選擇器，控制將ALU輸出或存儲(chǔ)器的讀出數(shù)據(jù)送寄存器堆。

  存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)
  將寄存器的讀端口數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入存儲(chǔ)器的寫(xiě)端口。

• 轉(zhuǎn)移指令數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)
  
  jal（J）指令不僅轉(zhuǎn)移，而且在轉(zhuǎn)移前將jal指令的下一條指令的地址保存到編號(hào)為31的寄存器中。（PC+4->MYM31,{(PC+4）高四位，address，0,0}->PC
  jr指令（R）將32位數(shù)據(jù)當(dāng)做指令地址，直接置入PC。通常和jal指令配合使用，用于子程序的調(diào)用與返回。jal相當(dāng)于CALL，jr相當(dāng)于RET。
  I型條件轉(zhuǎn)移指令“beq rs,rt,label”的功能是相等轉(zhuǎn)移：if(rs=rt) then PC+4+offset*4->PC else PC+4->PC。其中offset是有符號(hào)數(shù)，是跳轉(zhuǎn)目標(biāo)指令的地址相對(duì)于下一條指令地址的偏移量。offset需要符號(hào)擴(kuò)展為32位后再左移兩位。

  轉(zhuǎn)移地址產(chǎn)生后，要送入PC才能完成跳轉(zhuǎn)。
  對(duì)于PC來(lái)說(shuō)，如果加上PC自增，則PC的來(lái)源有四種，需要一個(gè)四選一多路選擇器，由兩位控制信號(hào)來(lái)選擇。

  jal指令需要將PC+4的值存入MYM31寄存器中，寄存器寫(xiě)入地址的選擇需要多一種可能性，對(duì)于寫(xiě)入數(shù)據(jù)的選擇也多一種可能性，需要修改寄存器堆在寫(xiě)入地址前的多路選擇器和寫(xiě)入數(shù)據(jù)前的多路選擇器。

  beq指令需要根據(jù)標(biāo)志ZF來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)移。

硬布線控制器

根據(jù)指令的要求，當(dāng)前的時(shí)序及外部和內(nèi)部的狀態(tài)情況，按時(shí)間順序發(fā)送一系列微操作控制信號(hào)。

他由復(fù)雜的組合邏輯門(mén)電路和一些觸發(fā)器構(gòu)成，又稱(chēng)為組合邏輯控制器，或常規(guī)邏輯控制器。

不可更改和擴(kuò)充。
速度快。

硬布線控制器和微程序控制器在硬件上最大的區(qū)別就是操作控制信號(hào)形成部件的組成結(jié)構(gòu)不同。

控制器的設(shè)計(jì)方法

• 確定指令系統(tǒng)，包括指令系統(tǒng)中每條指令的格式，功能和尋址方式，分配操作碼。
• 圍繞指令系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，確定CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)算器的功能和組成，控制器的類(lèi)型，結(jié)構(gòu)組成及各部件的連接方式和數(shù)據(jù)通路，同時(shí)也需要確定時(shí)序系統(tǒng)的構(gòu)成。
• 在以上基礎(chǔ)上，分析每條指令的執(zhí)行過(guò)程，按機(jī)器周期順序，寫(xiě)出必須發(fā)送的微操作控制信號(hào)序列。
• 綜合每個(gè)微操作控制序列的邏輯函數(shù)，化簡(jiǎn)和優(yōu)化。
• 用邏輯電路實(shí)現(xiàn)。

硬布線控制器的結(jié)構(gòu)與原理

• 微操作控制信號(hào)C是四種輸入信號(hào)的函數(shù) I用于指出當(dāng)前是哪一條指令的指令周期。 M,T指出當(dāng)前處于哪一個(gè)機(jī)器周期和哪一個(gè)節(jié)拍。
  S指出運(yùn)算器的結(jié)果狀態(tài)及機(jī)器內(nèi)部的其他狀態(tài)，已決定某些操作信號(hào)是否發(fā)送。 E指出和傳遞CPU外部各部件的狀態(tài)和控制信號(hào)。
• 信號(hào)C一部分送到CPU外部，構(gòu)成系統(tǒng)總線的控制總線，另一部分送到CPU內(nèi)部以供使用。
• 機(jī)器指令執(zhí)行的各個(gè)步驟是在各個(gè)機(jī)器周期中，由指令的操作碼，機(jī)器周期信號(hào)和時(shí)鐘周期信號(hào)驅(qū)動(dòng)操作控制器的組合邏輯電路來(lái)完成的，一個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)步驟。

硬布線控制器的時(shí)序系統(tǒng)

• 機(jī)器周期信號(hào)一般可以采用計(jì)數(shù)器輸出譯碼方式產(chǎn)生。若指令系統(tǒng)的所有機(jī)器指令中，最長(zhǎng)的一條指令包含n個(gè)機(jī)器周期，則需要m=log₂n位的計(jì)數(shù)器，通過(guò)m：2^m譯碼器輸出機(jī)器周期信號(hào)。以一般的自增或自減計(jì)數(shù)器不同，該計(jì)數(shù)器必須按照不同指令的需求產(chǎn)生不同的計(jì)數(shù)順序。
• 計(jì)數(shù)器以格雷碼的形式編碼，避免兩個(gè)觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)造成毛刺。
  
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硬布線控制器的設(shè)計(jì)舉例

• 指令系統(tǒng)
  

• 模型機(jī)結(jié)構(gòu)
  

• 首先，在CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依據(jù)指令功能設(shè)計(jì)出指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)通路，并規(guī)定出實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)通路所必須發(fā)送的微操作控制信號(hào)；然后按照總線分時(shí)享用的原則，將這些有序的操作劃分為不同的機(jī)器周期，即保證在一個(gè)機(jī)器周期中，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是唯一的，且總線上的數(shù)據(jù)不能停留到下一個(gè)機(jī)器周期。

• ADD指令
  M₀：將當(dāng)前指令地址送AR，且PC指向指令的下一字地址。
  M₁：從內(nèi)存中取指令送寄存器，譯碼。
  M₂：將指令的第二字地址送AR，且PC指向指令的下一條指令地址。
  M₃：從內(nèi)存中取出指令的第二個(gè)字即立即數(shù)，送ALU
  M₄：將另一個(gè)操作數(shù)送ALU。
  M₅：完成加法操作并將結(jié)果送R₀。

• JMP指令
  M₀：將當(dāng)前指令地址送AR，且PC指向指令的下一字地址。
  M₁：從內(nèi)存中取指令送寄存器，譯碼。
  M₂：將指令的第二字地址送AR，且PC指向指令的下一條指令地址。
  M₃：在內(nèi)存中取出指令的第二個(gè)字即轉(zhuǎn)移地址送PC，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

• ADD
  ADD·M₀：PC->AR,PC+1->PC
  ADD·M₁：RAM->IR,指令譯碼
  ADD·M₂：PC->AR，PC+1->PC
  ADD·M₃：RAM->DA₁
  ADD·M₄：R₀->DA₂
  ADD·M₅：DA₁+DA₂->R₀

• JMP
  JMP·M₀：PC->AR,PC+1->PC
  JMP·M₁：RAM->IR,指令譯碼
  JMP·M₂：PC->AR，PC+1->PC
  JMP·M₃：RAM->PC

• 取指令
  ADD·M₀：(PC-B)#,B-AR,PC+1
  ADD·M₁：（M-R）#，B-IR，J₁#

• ADD
  ADD·M₂：(PC-B)#,B-AR,PC+1
  ADD·M₃：（M-R）#，B-DA₁
  ADD·M₄：（R₀-B）#，B-DA₂
  ADD·M₅：ALU(F=A+B),(ALU-B)#,B-R₀

• JMP
  JMP·M₂：(PC-B)#,B-AR,PC+1
  JMP·M₃：（M-R）#，(B-PC)#

• 綜合微操作控制信號(hào)的邏輯函數(shù)
  若某個(gè)微操作控制信號(hào)必須在某個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的T_n時(shí)刻有效，則該信號(hào)表達(dá)式還要和T_n時(shí)鐘信號(hào)相與

  當(dāng)指令系統(tǒng)被擴(kuò)充時(shí)，只需更新微操作控制信號(hào)的邏輯函數(shù)。

  對(duì)于已將確定的指令系統(tǒng)，要對(duì)各信號(hào)的邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)和優(yōu)化。不僅要從邏輯代數(shù)的角度，還要從指令系統(tǒng)的整體邏輯上考慮。比如該例中，ADD+JMP=1。

• 邏輯實(shí)現(xiàn)
  

MIPS硬布線多周期CPU的設(shè)計(jì)

• 單周期缺點(diǎn)
  運(yùn)行效率低下
  時(shí)鐘周期由執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的指令決定

在一個(gè)指令周期內(nèi)，各功能部件被獨(dú)占
單個(gè)周期內(nèi)所有功能部件必須單獨(dú)設(shè)置，不能復(fù)用。

• 設(shè)計(jì)原則
  不同的指令，依據(jù)功能需要可以包含不同數(shù)目的時(shí)鐘周期。
  時(shí)鐘周期的內(nèi)部只完成指令的部分功能，效率更高。
  提高硬件的利用率。

• 多周期CPU的數(shù)據(jù)通路
  
  與單周期相比
  指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一。
  只設(shè)置一個(gè)ALU運(yùn)算部件，節(jié)省兩個(gè)加法器。
  添加兩個(gè)專(zhuān)用寄存器（IR，MDR）和三個(gè)附加寄存器（A,B,F）。

  每個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿，均需將本時(shí)鐘周期的操作結(jié)果存入暫存器，專(zhuān)用寄存器或者通用寄存器保存，以便下一個(gè)時(shí)鐘周期使用。

  對(duì)于某條指令的執(zhí)行結(jié)果，若要用于下一條指令，則應(yīng)該存入程序員可見(jiàn)的部件，有程序員或編譯器以指令方式明確指定。對(duì)于某一條指令中一個(gè)時(shí)鐘周期的執(zhí)行結(jié)果，若要用于該指令的下一時(shí)鐘周期，則應(yīng)該存入程序員不可見(jiàn)，硬件設(shè)計(jì)者可見(jiàn)的附加寄存器。需要在這個(gè)功能部件之間加設(shè)一個(gè)緩沖寄存器，在時(shí)鐘周期的下降沿將部件執(zhí)行結(jié)果置入這些寄存器。

• R型指令的執(zhí)行過(guò)程
  
  取指令，PC自增：Mem[PC]->IR,PC+4->PC.
  讀寄存器：Reg[rs]->A,Reg[rt]->B
  ALU運(yùn)算：A(op)B->F
  結(jié)果寄存器：F->Reg[rd]

• I型取數(shù)指令
  
  取指令，PC自增：Mem[PC]->IR,PC+4->PC.
  讀寄存器：Reg[rs]->A,Reg[rt]->B（無(wú)關(guān)操作）
  計(jì)算有效地址：EA：A+offset->F
  讀存儲(chǔ)器：Mem[F]->MDR
  寫(xiě)結(jié)果寄存器：MDR->Reg[rt]

• I型存數(shù)指令
  
  取指令，PC自增：Mem[PC]->IR,PC+4->PC.
  讀寄存器：Reg[rs]->A,Reg[rt]->B
  計(jì)算有效地址：EA：A+offset->F
  寫(xiě)存儲(chǔ)器：B->Mem[F]

• I型分支指令
  
  取指令，PC自增：Mem[PC]->IR,PC+4->PC.
  讀寄存器和轉(zhuǎn)移地址計(jì)算：Reg[rs]->A,Reg[rt]->B，PC+offset*4->F
  完成分支：A-B，產(chǎn)生ZF，zero=1，則F->PC，zero=0，空操作。

• J型跳轉(zhuǎn)指令
  
  取指令，PC自增：Mem[PC]->IR,PC+4->PC.
  完成跳轉(zhuǎn)：{PC[31:28],address,00}->PC

• 多周期CPU的具體實(shí)現(xiàn)方案
  
  
  凡是寫(xiě)入操作，總是在下降沿，以保證功能部件操作完成后，再保存結(jié)果。
  在寫(xiě)入周期下降沿有效指將這些寫(xiě)控制信號(hào)和時(shí)鐘周期的反向信號(hào)向與后作為部件的寫(xiě)操作控制信號(hào)。
  存儲(chǔ)器的讀信號(hào)可以不受時(shí)鐘控制，是電平型信號(hào)。

  沒(méi)有控制信號(hào)表名直接使用時(shí)鐘周期的脈沖作為打入脈沖，即每個(gè)時(shí)鐘周期的后沿均執(zhí)行寫(xiě)入操作。
  沒(méi)有輸出控制，內(nèi)容始終可用。

• 設(shè)計(jì)實(shí)例
  確定指令系統(tǒng)

確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路

分析每條指令的執(zhí)行過(guò)程，寫(xiě)出發(fā)送的微操作控制信號(hào)序列

綜合每個(gè)微操作控制信號(hào)的邏輯函數(shù)
實(shí)現(xiàn)操作控制信號(hào)形成部件的組合邏輯電路
輸入變量：OP，func，時(shí)鐘周期，ALU的結(jié)果狀態(tài)
輸出：各個(gè)控制信號(hào)
描述每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送的控制信號(hào)：指令·周期·狀態(tài)：控制信號(hào)
邏輯函數(shù)綜合：對(duì)每個(gè)控制信號(hào)，凡是：右邊出現(xiàn)該信號(hào)的，將左邊的條件進(jìn)行或運(yùn)算
優(yōu)化和化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)

邏輯實(shí)現(xiàn)
將所有控制信號(hào)的最簡(jiǎn)邏輯函數(shù)用電路實(shí)現(xiàn)

微程序控制器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制電路是按照一系列離散步驟進(jìn)行操作的，即一條指令可以分成一系列基本的操作步驟。
這些步驟就像計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行過(guò)程一樣，可以用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

微程序控制的基本概念和工作原理

• 微地址寄存器μAR的值與指令執(zhí)行的一個(gè)過(guò)程相對(duì)應(yīng)。 μAR的輸出作為控制存儲(chǔ)器CM的地址，CM的一個(gè)存儲(chǔ)單元中剛好存儲(chǔ)一條微指令。
  CM一般是只讀的，CM的地址一般叫做微地址。 每條微指令包含一組微命令，一個(gè)微命令完成一個(gè)微操作。
  微命令是組成微指令的最小單位，也就是微操作控制信號(hào)，微操作就是指令執(zhí)行時(shí)必須完成的基本操作。
  執(zhí)行一條微指令所需要的時(shí)間叫做微周期，一般可以作為一個(gè)機(jī)器周期。 微指令的有序集合叫做微程序，微程序是實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令功能的程序。

• 微指令由控制字段，判別字段和下址字段組成。 控制字段包含一組微命令信號(hào)，即微操作控制信號(hào)。
  下址字段，指令操作碼和狀態(tài)標(biāo)志等微地址形成電路的輸入，輸出就是下一條微指令的地址。 判別字段指明下址的來(lái)源。

• 下地址的生成方法
  下一微地址就是CM中的下一個(gè)地址：當(dāng)前微地址加一。

  下一微地址是由當(dāng)前微指令提供的一個(gè)絕對(duì)CM地址，這個(gè)微地址可能是后繼微地址的全部，也可能是后繼微地址的一部分。

  根據(jù)指令的OP產(chǎn)生該指令對(duì)應(yīng)的微程序入口地址，通常這個(gè)工作由映像邏輯（只用一次）來(lái)完成，指令OP輸入映像邏輯后，硬件將操作碼映射成該指令對(duì)應(yīng)執(zhí)行指令周期中的第一條微指令的地址，即程序入口地址，將程序入口地址裝入微地址寄存器就可以轉(zhuǎn)入到正確的微程序。

  調(diào)用微子程序時(shí)，其返回地址存儲(chǔ)在子程序寄存器或硬件堆棧中。

• 開(kāi)機(jī)后，首先使μAR置為取指令的第一條微指令地址，從CM中取出第一條微指令，完成PC->AR，PC+1操作，然后根據(jù)微指令的下址字段分別取出第二條微指令，完成RAM->IR，即從內(nèi)存中讀出指令送IR，并發(fā)出譯碼信號(hào)使指令譯碼器工作，即形成該指令的執(zhí)行指令階段的微程序入口地址，從CM中取出該指令執(zhí)行時(shí)的第一條微指令送到微指令寄存器，發(fā)出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)微操作。然后該指令執(zhí)行時(shí)的其余微指令地址是當(dāng)前微地址加1或由當(dāng)前微指令下址字段確定，依次從控存中取出其余微指令，實(shí)現(xiàn)該指令所需的所有微作，即完成了該指令的執(zhí)行。每一條指令的最后一條微指令執(zhí)行完后均會(huì)回到取指令的第一條微指令執(zhí)行，以取下一條指令，如此重復(fù)，直至用戶(hù)要運(yùn)行的程序指令執(zhí)行完為止。

簡(jiǎn)單微程序控制器的設(shè)計(jì)

• 確定指令系統(tǒng)，包括指令系統(tǒng)中每條指令的格式，功能和尋址方式，分配操作碼。
  圍繞指令系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，確定CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)算器的功能和組成，控制器的類(lèi)型，結(jié)構(gòu)組成及各部件的連接方式和數(shù)據(jù)通路，同時(shí)也需要確定時(shí)序系統(tǒng)的構(gòu)成。
  在以上基礎(chǔ)上，分析每條指令的執(zhí)行過(guò)程，畫(huà)出指令系統(tǒng)的微程序流程圖。
  根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu)，寫(xiě)出每條指令所發(fā)送的微操作控制信號(hào)序列。
  結(jié)合微程序控制器的結(jié)構(gòu)，微操作控制信號(hào)序列和控制存儲(chǔ)器的容量，設(shè)計(jì)微指令格式。
  分配微程序流程圖中各微指令的微地址，并編寫(xiě)微指令代碼。
  將所有微指令代碼裝入控制存儲(chǔ)器的相應(yīng)單元。

• 微程序控制器的設(shè)計(jì)主要完成兩個(gè)任務(wù)：產(chǎn)生正確的微命令；產(chǎn)生正確的微指令序列（即上述 CPU 狀態(tài)轉(zhuǎn)換序列）。
  
  

• 以指令集：ADD 和 JMP，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路沒(méi)有改變，CPU 的有限狀態(tài)機(jī)中只有 8 個(gè)狀態(tài)，也就是說(shuō)可能產(chǎn)生的下址只有 8 個(gè)。

  在取指令周期的第二個(gè)狀態(tài)（RAM->IR，指令譯碼）之后的微地址有兩種可能性，微控器采用第三種方法（指令譯碼）來(lái)產(chǎn)生下一微地址，ADD和 JMP 指令的最后一個(gè)狀態(tài)采用第二種方法即當(dāng)前微指令提供下一微地址，其余狀態(tài)均可采用第一種方法即把當(dāng)前微地址加1來(lái)作為下一微地址。兩條指令集的有 8 種狀態(tài)，則需要微指令提供的絕對(duì)微地址必須≥3 位。

• 寄存器控制的微命令產(chǎn)生方式

• 微指令的格式
  

• 假設(shè) ADD 指令的操作碼I₇I₆I₅I₄是0000，JMP 指令的操作碼I₇I₆I₅I₄是0001，對(duì)于三位微地址，則微程序的入口地址的邏輯表達(dá)式可以寫(xiě)成I₄10，用很簡(jiǎn)單的電路就可以實(shí)現(xiàn)操作碼譯碼，即由指令的操作碼按邏輯電路映射成該指令的微程序入口地址。由微程序的入口地址的邏輯表達(dá)式（I₄10）得到ADD 執(zhí)行指令周期中的第一個(gè)狀態(tài)微地址是010，JMP 執(zhí)行指令周期中的第一個(gè)狀態(tài)的微地址是 110。然后分別把剩下的微地址分配給其他CPU 狀態(tài)，于是得到簡(jiǎn)單微控器的微程序流程圖。

  將1位判別測(cè)試字段里的轉(zhuǎn)移方式命名為J1#，若J1#=0表示下址來(lái)源是指令譯碼，J1#=1表示下址來(lái)源由微指令的下址字段提供，則對(duì)所有狀態(tài)來(lái)說(shuō)，只有微地址為001的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微指令的判別測(cè)試字段是 0，其他狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微指令的判別測(cè)試字段都是1.

  我們先把系統(tǒng)中每一個(gè)微操作都羅列出來(lái)，給它們命名，然后用微指令控制字段中的一位來(lái)表示一個(gè)微命令，對(duì)于每一條微指令，它需要哪些微命令，也就是說(shuō)需要產(chǎn)生哪些微操作（控制信號(hào)），就只需要把該微指令中所需要的微命令位置為有效，而將不需要的微命令位置為無(wú)效。

  控制信號(hào)共n個(gè)，所以按照微指令控制字段每位對(duì)應(yīng)一個(gè)微命令的設(shè)計(jì)方法，該微程序控制器的微指令控制字段需要n位，于是該微程序控制器的微指令的格式就確定了。

  有些微命令是高電平有效，有些微命令是低電平有效，若要給 PC 置數(shù)必須 B-PC#和 PC+1 同時(shí)有效。

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

• 從控存中取出一條微指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作步驟，一條機(jī)器指令的執(zhí)行就是由若干條微指令分別完成各個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

• 實(shí)際的計(jì)算機(jī)至少包含上百個(gè)控制信號(hào)和多種轉(zhuǎn)移方式，如果其控制字段還是按照上述設(shè)計(jì)方法（微指令一位對(duì)應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)），將導(dǎo)致控制存儲(chǔ)器的容量大，從而導(dǎo)致 CPU芯片體積過(guò)大。

• 通常，在實(shí)際進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下因 素：
  有利于縮短微指令字長(zhǎng)；
  有利于減少控制存儲(chǔ)器的容量；
  有利于微程序的執(zhí)行速度；
  有利于對(duì)微指令的修改；
  有利于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。

• 微指令的編譯法：微指令中控制字段的設(shè)計(jì)方法。
  直接控制法
  在微指令的控制字段中，每一位代表一個(gè)微命令，在設(shè)計(jì)微指令時(shí)，如果要發(fā)出某個(gè)微命令則將控制字段中對(duì)應(yīng)位置有效，這樣就可以打開(kāi)或關(guān)閉某個(gè)控制門(mén)，這就是直接控制法。如果是編碼控制則需要置相應(yīng)編碼值。
  微指令的控制字段太長(zhǎng)

  字段直接編譯法
  
  在計(jì)算機(jī)中各個(gè)微命令，在任一條微指令周期內(nèi)不可能同時(shí)發(fā)出，一般一條微指令的大部分微命令是無(wú)效的，而只有幾個(gè)微命令有效。

  如果有一組微命令，在任一個(gè)微周期（一條微指令所需的執(zhí)行時(shí)間）只有一個(gè)微命令起作用，那么這一組微命令是互斥的；通常將在同一個(gè)微周期中不能同時(shí)出現(xiàn)的微命令稱(chēng)為相斥性微命令，而將在同一個(gè)微周期中可以同時(shí)出現(xiàn)的微命令稱(chēng)為相容性微命令。

  將這些互斥的微命令編成一組，用編碼來(lái)表示一個(gè)微命令。從而縮短微指令長(zhǎng)度。這樣微指令寄存器的輸出端加一個(gè)譯碼器，該譯碼器的輸出就是這一組微命令，每一條微指令該字段的一個(gè)編碼經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼后輸出一個(gè)微命令。一般要留一個(gè)編碼（通常為 0 編碼）表示這一組微命令沒(méi)有一個(gè)有效。

  字段直接編譯法的分段原則是：
  相斥性微命令分在同一字段內(nèi)，相容性微命令分在不同字段內(nèi)。前者可以提高信息位的利用率，縮短微指令字長(zhǎng)；后者有利于實(shí)現(xiàn)并行操作，加快指令的執(zhí)行速度。

  一般將同類(lèi)操作中互斥的微命令劃分在一個(gè)字段內(nèi)，這樣使微指令結(jié)構(gòu)清晰，易于編制微程序和易于擴(kuò)充功能。

  每個(gè)小字段的信息位不能太長(zhǎng)，一般不超過(guò) 6 位，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。

  字段間接編譯法
  在這種編碼方法中，某一字段所產(chǎn)生的微命令，是和另一字段的代碼聯(lián)合定義出來(lái)的。

• 微指令下址字段設(shè)計(jì)方法
  微程序入口地址的產(chǎn)生
  每一條機(jī)器指令都對(duì)應(yīng)一段微程序，首先由“取機(jī)器指令”的微程序完成將一條機(jī)器指令從主存中取出并送到 IR，這段微程序一般安排在控制存儲(chǔ)器的特定單元；然后根據(jù)機(jī)器指令的操作碼轉(zhuǎn)移到其對(duì)應(yīng)的微程序入口地址，也就是指令譯碼，通常采用邏輯電路、PROM 來(lái)實(shí)現(xiàn)這種微程序的轉(zhuǎn)移。

  指令譯碼產(chǎn)生相應(yīng)微程序入口地址如果采用 PROM 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種 PROM 稱(chēng)為映射存儲(chǔ)器（MAPROM）,它是將指令的操作碼作為地址輸入，而其相應(yīng)的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容即為該指令的微程序入口地址，從存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線輸出到微地址寄存器，從CM中取該微程序的第一條微指令。

  可以采用邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn) 。

• 后繼微地址的產(chǎn)生
  確定了微程序入口地址后，就可以開(kāi)始執(zhí)行微程序。每條微指令執(zhí)行完畢，都要根據(jù)要求產(chǎn)生后繼微指令地址。

  計(jì)數(shù)器方式
  在微程序控制器單元中設(shè)置一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器μPC, 在順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微指令地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量（通常為 1）來(lái)產(chǎn)生。遇到轉(zhuǎn)移時(shí)，由微指令給出轉(zhuǎn)移地址，使微程序按新的微地址順序執(zhí)行。
  這種方式下微程序流控制由兩部分信息確定：轉(zhuǎn)移控制字段 BCF 和轉(zhuǎn)移地址字段 BAF，其微指令格式如下：
  BAF 用于給出微指令轉(zhuǎn)移的部分微地址，BCF 用來(lái)確定后繼微地址是順序執(zhí)行還是條件轉(zhuǎn)移。當(dāng)微程序轉(zhuǎn)移條件成立時(shí)，將用 BAF 修改送μPC 的部分地址，否則順序執(zhí)行下一條微指令（μPC＋1）。
  在微程序流的控制中，由微指令的BCF 所定義的微命令應(yīng)能選擇各種后繼微地址來(lái)源。假設(shè)，在微程序中有順序執(zhí)行、無(wú)條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移、測(cè)試循環(huán)、轉(zhuǎn)微子程序和返回 6 種情況，再加上每條指令取出后要轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的微程序入口地址，則轉(zhuǎn)移控制字段 BCF 用 3 位。轉(zhuǎn)移地址字段 BAF 一般位數(shù)少，將它送到μPC 的若干低位或高位形成后繼微地址。
  
  BCF 字段輸出端設(shè)置一譯碼器使得分別當(dāng)：
  BCF=000，0 譯碼線有效即為順序執(zhí)行微命令，使與門(mén)打開(kāi)，＋1 信號(hào)進(jìn)入μPC，順序執(zhí)行微指令，后繼微地址為μ PC＋1；
  BCF＝001，1 譯碼線有效即為指令操作碼譯碼產(chǎn)生微程序入口的微命令，將指令譯碼器輸出門(mén)打開(kāi)，根據(jù)機(jī)器指令操作碼譯碼產(chǎn)生后繼微地址。
  BCF＝010，2 譯碼線有效即為無(wú)條件轉(zhuǎn)移微命令，BAF 送μPC，由 BAF 和μ PC 組合形成后繼微地址。
  BCF＝011，3 譯碼線有效即為條件轉(zhuǎn)移微命令，由轉(zhuǎn)移條件的測(cè)試結(jié)果來(lái)確定是否轉(zhuǎn)移。若測(cè)試條件滿足，則有 BAF 和μ PC 組合形成后繼微地址；若測(cè)試條件不滿足，則μ PC＋1 作為后繼微地址。
  BCF＝100，4 譯碼線有效即為測(cè)試循環(huán)微命令，后繼微地址由測(cè)試循環(huán)條件確定。當(dāng)測(cè)試條件（循環(huán)計(jì)數(shù)器內(nèi)容為零）不滿足時(shí)，循環(huán)繼續(xù)，循環(huán)計(jì)數(shù)器減一，循環(huán)入口微地址也就是后繼微地址由 BAF 與μ PC 組合形成；當(dāng)測(cè)試條件滿足時(shí)，表示循環(huán)結(jié)束，其后繼微地址為μ PC＋1，以此跳出循環(huán)。
  BCF＝101，5 譯碼線有效即轉(zhuǎn)微子程序微命令，其后繼微地址即微子程序入口微地址由 BAF與μ PC 組合形成。在轉(zhuǎn)移之前，要把該條微指令的下一微地址μPC＋1 送入返回地址寄存器中，以備返回微主程序。
  BCF＝110，6 譯碼線有效即返回微命令，其后繼微地址為返回地址寄存器中的內(nèi)容，將其送入μ PC，從而實(shí)現(xiàn)從微子程序返回到原來(lái)的微主程序。

  計(jì)數(shù)器方式產(chǎn)生后繼微地址的工作過(guò)程是，機(jī)器加電后執(zhí)行的第一條微指令地址，也就是取指令的微程序起始地址由硬件電路置入μ PC 中，順序執(zhí)行取指令微程序，實(shí)現(xiàn)從主存中取出機(jī)器指令送IR；由機(jī)器指令操作碼譯碼后產(chǎn)生相應(yīng)微程序入口地址，接下去若順序執(zhí)行微指令，則將μ PC＋1 作為后繼微地址；若遇轉(zhuǎn)移類(lèi)微指令而且轉(zhuǎn)移條件滿足，則由 BAF 和μ PC 組合產(chǎn)生后繼微地址，否則μ PC＋1。這樣，直至一段微程序執(zhí)行完畢，完成一條機(jī)器指令為止；重復(fù)又轉(zhuǎn)入取指令微程序。

  優(yōu)點(diǎn)是微指令字較短，便于編寫(xiě)微程序，后繼微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是執(zhí)行速度相對(duì)較慢，因?yàn)橛?jì)數(shù)器方式不易于直接實(shí)現(xiàn)各測(cè)試條件的多路轉(zhuǎn)移，在編寫(xiě)微程序中，由于頻繁地用到非順序的微指令，在微程序中要插入很多的轉(zhuǎn)移微指令，這樣會(huì)影響微程序的執(zhí)行速度。這種方式的微程序即要滿足地址遞增順序，又要滿足靈活地轉(zhuǎn)向各種共用微程序與微子程序入口的要求，因此微程序在控制存儲(chǔ)器中的物理分配不方便，需合理安派、調(diào)整。

  判定方式（下址字段法）
  其后繼微指令地址可由設(shè)計(jì)者指定或設(shè)計(jì)者指定的測(cè)試判別字段控制產(chǎn)生。這種方式要在微指令格式中設(shè)置一個(gè)字段用來(lái)指明下一條要執(zhí)行的微指令地址，所以也稱(chēng)為下址字段法。在這種方式中，因?yàn)槊恳粭l微指令至少都是一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移微指令，因此不必設(shè)置專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)移微指令。
  
  μ AR 代替了μ PC，μ AR 的內(nèi)容可以由微指令的下址字段來(lái)裝入，也可以由微地址散轉(zhuǎn)及修改電路來(lái)裝入，微地址散轉(zhuǎn)及修改電路包括由機(jī)器指令操作碼產(chǎn)生對(duì)應(yīng)微程序入口地址的邏輯電路和條件轉(zhuǎn)移時(shí)的微地址修改邏輯電路。
  當(dāng)微程序無(wú)分支時(shí)，后繼微指令地址由微指令的下址字段直接給出，這是在設(shè)計(jì)微程序流程圖時(shí)由設(shè)計(jì)者指定的。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，由微指令的測(cè)試字段信號(hào)啟動(dòng)微地址修改邏輯電路，根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位來(lái)修改μ AR 的若干位來(lái)產(chǎn)生后繼微地址，使微程序轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的微地址。

  測(cè)試判別字段的位數(shù)取決于測(cè)試源的個(gè)數(shù)，微指令中可以用直接控制法表示，即一位表示一個(gè)測(cè)試源，也可以將若干個(gè)測(cè)試源組合用幾位表示，并經(jīng)過(guò)譯碼后一次只有一個(gè)測(cè)試源有效。需要修改的μ AR 的位數(shù)取決于轉(zhuǎn)移分支的路數(shù)。下址字段的位數(shù)取決于控制存儲(chǔ)器的容量，與μ AR 的位數(shù)相等。

  優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)快速多路分支，以提高微程序的執(zhí)行速度，微程序在控制存儲(chǔ)器中的物理分配方便，微程序設(shè)計(jì)靈活；缺點(diǎn)是微指令字加長(zhǎng)，形成后繼微地址的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

• 微指令格式的類(lèi)型
  水平型微指令
  其基本特征是：微指令字采用直接控制法的基本思想，一條微指令能控制數(shù)據(jù)通路中多個(gè)功能部件并行操作。控制信息的編碼簡(jiǎn)單，盡可能使微命令與控制門(mén)之間有直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在微指令字中，不必給出源部件或目標(biāo)部件的編址，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)隱含在有關(guān)的并行操作的微命令中。

  優(yōu)點(diǎn)是：一條微指令可同時(shí)發(fā)許多個(gè)微命令，且微指令控制字段直接控制，不用字段譯碼，使得微指令執(zhí)行效率高，速度快，靈活，各部件執(zhí)行操作的并行能力強(qiáng)；水平型微指令來(lái)解釋一條指令或完成某種功能所需要的微指令條數(shù)少，因此編制的微程序就比較短。
  缺點(diǎn)是：微指令字太長(zhǎng)，增加了控制存儲(chǔ)器的橫向容量。

  垂直型微指令
  采用完全編碼的方法，將一套微命令代碼化構(gòu)成微指令。因此，一條微指令只能控制一二種微操作，由微操作碼、源地址和目標(biāo)地址以及其他附帶信息，它可以和機(jī)器指令一樣分成多種類(lèi)型的微指令，所有微指令構(gòu)成一個(gè)微指令系統(tǒng)。微指令字采用短格式，一條微指令只能控制一二個(gè)微操作，并行控制能力差。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，垂直型微指令比較直觀，容易掌握和便于使用。微指令字短，減少了橫向控制存儲(chǔ)器的容量。 缺點(diǎn)是：微指令要經(jīng)過(guò)譯碼才能發(fā)出微命令，微指令的執(zhí)行效率低，并行操作性比較差，解釋一條機(jī)器指令或完成某種功能所需要的微指令條數(shù)增多，增加了縱向微程序容量。

  一般實(shí)際設(shè)計(jì)微指令時(shí)，大多采用兩種類(lèi)型結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)微指
  令，使得微指令字長(zhǎng)適當(dāng)，并行操作能力也比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)的微程序容量適當(dāng)。

• 微程序控存和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)
  微程序控制存儲(chǔ)器一般由只讀存儲(chǔ)器構(gòu)成，如果使用可讀寫(xiě)的隨機(jī)存儲(chǔ)器作為控制存儲(chǔ)器也可以，但停電后 RAM 中的內(nèi)容會(huì)消失，所以，開(kāi)機(jī)后還要首先將外存上存放的微程序調(diào)到CM的 RAM 中，才能開(kāi)始執(zhí)行程序。 采用 RAM 作為控制存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的擴(kuò)充或調(diào)整。在一臺(tái)微程序控制的計(jì)算機(jī)中，假如能根據(jù)用戶(hù)的要求改變微程序，那么這臺(tái)機(jī)器就具有動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)功能。

  動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)的目的是使計(jì)算機(jī)能更靈活、更有效地適應(yīng)于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。允許用戶(hù)在原來(lái)指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一些指令來(lái)提高程序的執(zhí)行效率。用于動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)的控制存儲(chǔ)器稱(chēng)為可寫(xiě)控制存儲(chǔ)器或用戶(hù)控制存儲(chǔ)器。

• 毫微程序設(shè)計(jì)
  把垂直型微指令設(shè)計(jì)和水平型微指令設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，采用兩級(jí)微程序設(shè)計(jì)。

  第一級(jí)為垂直微程序，用來(lái)解釋機(jī)器指令，稱(chēng)為微程序并存放在稱(chēng)為微程序存儲(chǔ)器的控存中。第二級(jí)為水平微程序，用來(lái)解釋垂直微指令，并產(chǎn)生相應(yīng)微命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的控制。由于它是解釋微程序的微程序，所以稱(chēng)為毫微程序，存放在稱(chēng)為毫微程序存儲(chǔ)器的控存中。這樣毫微程序的每條水平型微指令就可稱(chēng)之為毫微指令；而使用垂直微指令和毫微指令這兩種微指令的程序開(kāi)發(fā)就叫做毫微程序設(shè)計(jì)。
  
  毫微程序設(shè)計(jì)使得微程序流的控制和微命令發(fā)出完全分離，微程序流控制由微程序級(jí)實(shí)現(xiàn)（垂直型微指令），而微命令則由毫微程序產(chǎn)生。

  微命令是非常簡(jiǎn)單的控制信號(hào)，可由垂直型微指令直接產(chǎn)生，無(wú)需再用毫微指令去解釋。

  一條垂直微指令只用一條毫微指令來(lái)解釋。這種情況可簡(jiǎn)化垂直微指令的譯碼器，并且相同的毫微指令在毫微程序存儲(chǔ)器中只存放一條即可，能減少控制存儲(chǔ)器的容量。

  一條垂直微指令由一段毫微程序來(lái)解釋。這是最一般的情況。這時(shí)毫微程序與垂直微指令的關(guān)系就類(lèi)似于微程序與機(jī)器指令的關(guān)系。這種情況，微程序設(shè)計(jì)更隨意，更能有效地控制數(shù)據(jù)通路。

微程序控制方式下模型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例

• 指令的執(zhí)行過(guò)程
  用開(kāi)關(guān)單元的 CLR 開(kāi)關(guān)將 PC 程序計(jì)數(shù)器、控存地址寄存器和微指令寄存器清零，使程序從 0 地址單元取指令； 微指令從控存 00 微地址開(kāi)始執(zhí)行，經(jīng)過(guò)微程序控制臺(tái)使在 01 微地址的微指令執(zhí)行的 T2 時(shí)刻發(fā)出控制信號(hào)，T3 時(shí)刻將 PC程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容打入 AR 地址寄存器； 由 02 微地址的微指令發(fā) M-R#、B-IR 信號(hào)，將 AR 地址寄存器所尋址的指令從存儲(chǔ)器中取出送總線，并打入 IR 指令寄存器； 由 03 微地址的微指令發(fā) J1#信號(hào)，將指令操作碼通過(guò)指令譯碼器轉(zhuǎn)換成微地址寄存器（控存地址寄存器）的輸出置1（SE6#-SE0#）信號(hào)，使得形成下一條微指令地址（即該指令的微程序入口地址）； 從控存中取出該指令的第一條微指令到微指令寄存器μ IR 發(fā)出控制信號(hào)，并由該微指令的下址字段MA6～MA0經(jīng)微地址寄存器再到控存取下一條微指令； 每一條微指令的控制信號(hào)控制各單元（如運(yùn)算器單元、輸入單元、輸出單元、寄存器單元等）完成相應(yīng)的操作，直到一條指令的所有微指令執(zhí)行完，即完成一條指令的功能，此時(shí)，先判測(cè)有無(wú)中斷，若中斷信號(hào)有效，則將下一條指令的PC壓入堆棧，并從中斷向量單元取出中斷子程序入口地址，再回到 01 微地址執(zhí)行取指令的微指令，既轉(zhuǎn)入中斷子程序執(zhí)行。若中斷信號(hào)無(wú)效，則回到01 微地址行取指令的微指令，即繼續(xù)執(zhí)行指令。

• 微指令的格式
  
  微指令字長(zhǎng) 24 位，記為 M23～M0，其中 M13~M8 采用直接控制法、BTO 和 OTB 字段采用了字段直接編譯法，FUNC 和 FS 一起采用了字段間接編譯法，下址是 7 位。

• 指令譯碼器
  
  指令寄存器的輸出接至指令譯碼器，即指令譯碼電路。該電路主要功能是根據(jù)輸入的指令操作碼 I7-I2、微程序的轉(zhuǎn)移方式 J1#-J5#、運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài) FC 和 FZ、控制臺(tái)開(kāi)關(guān) K1 和 K2 的狀態(tài)，進(jìn)行邏輯譯碼，產(chǎn)生后繼微地址的控制信號(hào) SE6#- SE0#，以控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令轉(zhuǎn)入微程序入口和微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。

  模型機(jī)用判定方式產(chǎn)生后繼微地址。SE6#~SE0#用于控制修改后繼微地址的相應(yīng)位
  MA6~MA0，當(dāng) SEi# =0，則微地址 MAi被修改（置 1），否則，MAi不變，與原微指令寄存器輸出的下址字段相同。

• 微程序控制器
  
  指令寄存器 IR
  控制器將指令從存儲(chǔ)器中取出后送入指令寄存器 IR，指令的操作碼輸入指令譯碼器進(jìn)
  行譯碼。

  指令譯碼（后繼微地址轉(zhuǎn)移控制電路）
  后繼微地址轉(zhuǎn)移控制電路一方面將指令寄存器的指令操作碼轉(zhuǎn)換成該指令的微程序入口地址，另一方面可以實(shí)現(xiàn)微指令的轉(zhuǎn)移控制，當(dāng)需要根據(jù)硬件中斷信號(hào)、運(yùn)算器運(yùn)算狀
  態(tài)等進(jìn)行微指令轉(zhuǎn)移時(shí)，可以根據(jù)這些信號(hào)的不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)微地址的分支控制，從而實(shí)現(xiàn)
  微指令轉(zhuǎn)移。

  控制存儲(chǔ)器 CM
  能存放 24 位的微指令。微指令下址字段 7 位，因此，控存的實(shí)際容量為 128×24 位，即可以存放 128 條微指令。 控存中的 24 位微碼，高 17 位送微指令寄存器 μIR 保存并譯碼，低 7 位（下址字段）則送后繼微地址轉(zhuǎn)移控制邏輯產(chǎn)生后繼微地址。

  微指令寄存器 μIR 和微指令譯碼器
  微指令寄存器 μIR 的功能是存放從控存 CM 中讀出的高 16 位的微碼 M23～M8（低 7 位
  M6～M0 是下址字段，M7 為空）。μIR 的清零端 CLR# 接 CLR 開(kāi)關(guān)，即在總清時(shí)，使 μIR清零。μIR 的數(shù)據(jù)輸入端接控存 CM 的數(shù)據(jù) I/O 端；而 μIR 的數(shù)據(jù)輸出端就是整機(jī)的控制信號(hào)，其中 M13～M8是直接控制的信號(hào)，M23～M9是經(jīng)過(guò)微指令譯碼器譯碼后產(chǎn)生控制信號(hào)。

  控存地址寄存器 CMAR
  由輸入信號(hào) SE6#～SE0#控制修改當(dāng)前微指令（從控存 CM 中讀出）的下址字段 M6-M0（即 MA6-MA0），以產(chǎn)生下條微指令的控存地址，即后繼微地址。

• 設(shè)計(jì)流程
  設(shè)計(jì)指令的功能，指令碼及尋址方式
  編寫(xiě)微程序流程圖
  根據(jù)指令碼和轉(zhuǎn)移方式分配微地址及下址字段
  根據(jù)微指令格式，編寫(xiě)微指令代碼

微程序控制器與硬布線控制器的比較

• 根本區(qū)別在于微操作控制信號(hào)的產(chǎn)生方法不同：微程序控制器是事先將編寫(xiě)好的微代碼放入控制存儲(chǔ)器，執(zhí)行過(guò)程中需要時(shí)再?gòu)目卮嬷凶x取并送出的；而硬布線控制器由組合邏輯電路產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。
• 從電路的規(guī)整性來(lái)說(shuō)，微程序控制器電路相對(duì)規(guī)整，而硬布線控制器電路設(shè)計(jì)較為繁瑣、不規(guī)整。由于微程序控制器的控制信號(hào)存于控存，屬于存儲(chǔ)邏輯電路；而硬布線控制器屬于時(shí)序及組合邏輯電路，所以電路設(shè)計(jì)較微程序控制器更為繁雜與復(fù)雜。
• 從指令系統(tǒng)的易擴(kuò)充性來(lái)說(shuō)，微程序控制器易修改和擴(kuò)充，而硬布線控制器不易修改和擴(kuò)充。如果需要修改一條指令的功能或者增加一條指令，對(duì)于微程序控制器，只需在控制存儲(chǔ)器中修改或添加相應(yīng)的微程序段即可；而對(duì)于硬布線控制器，則要修改所有涉及到的微操作控制信號(hào)的邏輯函數(shù)和電路，變動(dòng)甚大，非常不利于指令的修改和擴(kuò)充。
• 微程序控制器執(zhí)行指令的速度相對(duì)硬布線控制器慢，因?yàn)榍罢咝枰x控存、微指令譯碼、發(fā)送微操作控制信號(hào)來(lái)完成一個(gè) CPU 周期（機(jī)器周期），而后者經(jīng)過(guò)一些門(mén)電路的延遲，即可產(chǎn)生微操作控制信號(hào)，所以更利于硬布線控制器的 CPU 提高主頻。
• 微程序控制器早先多應(yīng)用于 CISC 系統(tǒng)，硬布線控制器多應(yīng)用于 RISC 系統(tǒng)。在現(xiàn)代的 RISC 系統(tǒng)中，絕大多數(shù)指令為簡(jiǎn)單指令，均用硬布線方式實(shí)現(xiàn)；少數(shù)復(fù)雜指令則使用微程序?qū)崿F(xiàn)。而在現(xiàn)代的 CISC 系統(tǒng)中，譬如 Intel 微處理器，也將一些原先采用微程序?qū)崿F(xiàn)的指令，改用硬布線實(shí)現(xiàn)，以提高 CPU 速度和節(jié)省芯片面積。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的组成原理---控制器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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