408笔记📚

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（三）控制器的功能和工作原理 ​

1. 控制器的设计方式 ​

1.1. 组合逻辑 ​

  • 也称为硬布线逻辑；

  • 基本思想

    • 综合化简产生微命令的条件，形成相应逻辑式；
    • 根据逻辑式，用组合逻辑电路实现；
    • 执行指令时，由组合逻辑电路（微命令发生器）在相应时间发出所需微命令，控制有关操作；
    • 微命令发生器：控制器本质是根据输入指令的操作码，按照严格的时序，生成一个或多个微操作命令信号；
      • 微操作命令：CPU 执行指令时分解出的最小原子操作，是硬件电路直接支持的基本动作。例如：
        • 本质是选通对应寄存器的输入/输出控制信号，并且选通寄存器之间的数据通路；
        • 是电路水平的物理操作，直接操作多路选择/复用器的选择线，或寄存器输入/输出的使能线；
      • 时序：即一个工作周期内，应按照执行顺序，在不同的节拍内选通对应的微操作信号；

  • 设计步骤

    • 1）列出每个信号的时间表；
    • 2）列出逻辑表达式并化简；
    • 3）根据逻辑式画出逻辑电路图；

  • 信号时间表示意图

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  • 优点：速度快，思路清晰，简单明了；

  • 缺点：设计不规整，结构凌乱，修改和扩展的难度较大；

  • 用途：多用于 RISC 系统；

1.2. 微程序控制 ​

  • 基本思想
    • 引入存储程序的思想，将微操作控制信号按一定规则编码，形成微指令，存放到一个只读存储器里；
    • 存放微程序的存储器称为控制存储器（Control Memory，CM，简称控存）；
  • 基本概念
    • 微程序：包含若干微指令，用于解释和执行一条机器指令；
      • 每条机器指令和一个微程序对应；
    • 微指令：对应完成机器指令的某一步操作，由一个或多个微命令组成；
      • 微指令一般是顺序执行；
    • 微命令：对微操作信号的直接编码；
      • 在一个 CPU 周期内，多个微命令一般是并行执行；
      • 例：RegWrite[R1] 微命令，直接对应使能 R1 寄存器的输出控制线；
  • 通用微程序
    • 取指、间址、中断等过程在不同指令执行时都是相同的，因此为其统一编写微程序；
    • 若 CPU 系统支持 N 条指令，则微程序有 N+1 或 N+3 个；
      • N+1：表示加上取指微程序，考研用；
      • N+3：表示加上取指、间址、中断微程序；

2. 微程序控制器 ​

2.1. 基本结构 ​

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  • 控存 CM
    • 微程序控制器的核心部件；
    • 只读存储器 ROM，一经固定不可再修改；
  • CMAR (μPC)：控存地址寄存器，存放要读出的微指令地址；
  • CMDR (μMDR)：控存数据寄存器，存放读出的微指令；
  • 顺序逻辑器：形成下一条微指令地址，控制微指令的执行流；
    • 其输入和微地址形成部件、当前微指令的下地址、时钟信号、外来标志有关；

2.2. 微指令编码 ​

  • 基本结构：操作控制字段 | 下地址；
    • 操作控制字段：对应微操作命令，决定微指令的功能；
    • 下地址：指示如何寻找下一条微指令；
  • 直接编码法
    • 操作控制字段每一位对应一个微操作命令，为 1 表示有效/选通；
    • 优点：速度快；
    • 缺点：利用率低，能支持的微操作数量少；
  • 字段直接编码法
    • 将所有微命令分为若干组，每组内部的微命令为互斥的；
      • 互斥：即同一时间只有一个微命令生效，或都不生效（信号无效）；
    • 每一组用若干位控制字段编码，然后用译码器进行输出；
    • 设某一段有 k 个互斥的微命令，则需要比特数 B=⌈log2⁡(k+1)⌉；
      • +1 表示无效信号；
    • 优点：缩短微指令字长，提高字段利用率；
    • 缺点：增加了译码时间，导致译码速度变慢；
  • 字段间接编码法

2.3. 微指令格式 ​

  • 水平型微指令：一条微指令可以并行发出多个控制信号。直接编码和字段直接编码都属于水平型。

  • 垂直型微指令：设置了类似于机器指令的操作码字段，一条微指令只能执行一种基本操作。

  • 二者的比较

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2.4. 微指令地址 ​

  • 断定法：即直接用微指令的下地址字段作为下一条地址；
  • 增量计数器：即 CMAR 自增得到；
  • 由机器指令的操作码形成；
  • 由专有硬件直接产生下一条地址；
    • 例：取指、中断、间址指令；
  • 控制存储器的大小（容量）：C=lCMDR×min{2lCMAR,2lNEXT}；
    • lCMDR：CMDR 位数；
    • lNEXT：下地址字段位数；
    • 因为下一条地址同时受到 CMAR 位数，下地址字段位数的限制，故要取最小值；

习题 ​

    1. 微程序控制器采用直接控制编码微指令，后续微指令地址由下地址字段给出。共有 28 个微命令，6 个互斥可判定的外部条件，控制存储器的容量为 512×40 位，设计其微指令格式，并说明理由
    • 答案：操作控制字段 28 位，外部条件编码 3 位，下地址字段 9 位；
    • 解析：CM 容量为 512×40 位，说明共有 512 种微指令，微指令字长 40 位；
      • 直接编码方式，一位对应一条微命令，所以操作控制字段需要 28 位；
      • 512 种微指令，需要地址位数 log2⁡512=9 位；
      • 剩下 3 位给外部命令，排在微命令编码之后，23=8>6，所以可以编码全部外部条件；
    • 拓展：若外部条件不是互斥的，则外部条件位数不能用 log2⁡N 计算，而是一个外部条件对应 1 位，共计 N 位；