4.控制器的功能和工作原理

控制器的结构和功能

image.png

硬布线控制器

警告

不是考试重点，微程序控制器考的更多

image.png

微程序控制器

微程序控制的基本概念

• 一条机器指令可以分解成一个微操作序列
• 微命令是微操作的控制信号,微操作是微命令的执行过程
• 微指令是若干微命令的集合

基本术语：

1. 程序：由指令序列组成
2. 微程序：由微指令序列组成，每一种指令对应一个微程序
3. 指令是对程序执行步骤的描述
4. 微指令是对指令执行步骤的描述
5. 主存储器与控制存储器。主存储器用于存放程序和数据，在CPU外部，用RAM实现；==控制存储器(CM)==用于存放微程序，在CPU内部，用ROM实现。

注意

1. 微命令和微操作是一一对应的^[1]
2. 微指令中可能包含多个微命令
3. 在组合逻辑控制器中也存在微命令与微操作这两个概念,它们并非只是微程序控制器的专有概念。

区分一下寄存器

1. 地址寄存器（$MAR$）。存放主存读写地址
2. 微地址寄存器（$CMAR$）。用于存放控制存储器的读/写微指令地址
3. 指令寄存器（$IR$）。存放从主存中读出的指令
4. 微指令寄存器（$CMDR$或$\mu IR$）。存放从控制存储器中读出的微指令

image.png

微程序控制器组成和工作原理

image.png

提示

通常，一条机器指令对应一个微程序。由于任何机器指令的取指令操作都是相同的，因此可将取指令操作的微命令统一编成一个微程序，这个微程序只负责将指令从主存单元中取出并送至指令寄存器。此外，也可编出对应间址周期的微程序和中断周期的微程序。这样，控制存储器中的微程序个数应为机器指令数再加上对应取指、间址和中断周期等公共的微程序数。

微指令的编码方式（控制方式）

警告

这一小节为高频考点

直接编码方式

直接编码法无需进行译码，微指令的微命令字段每位都代表一个微命令。

image.png

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：

1. 互斥性微命令分在同一段内，相容性微命令分在不同段内。
2. 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。
3. 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。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。

image.png

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，因此称为字段间接编码，又称隐式编码。这种方式可进一步缩短微指令字长，但因削弱了微指令的并行控制能力，因此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. 直接由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，这种方式又称断定方式。
2. 根据机器指令的操作码形成。机器指令取至指令寄存器后，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。$(CMAR)+1 \to CMAR$
4. 分支转移
5. 测试网络形成
6. 硬件直接产生微程序入口地址

微指令的格式

水平型微指令

微指令编码方式中三种方式都属于水平型微指令，一条水平型微指令定义并执行几种并行的基本操作

垂直型微指令

采用类似于机器指令操作码的方式，一条垂直指令只能定义并执行一种基本操作

混合型微指令

在垂直型基础上加上一些不太复杂的并行操作

微程序控制单元的设计步骤

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
   (1)写出每个周期所需要的微操作（参照硬布线）
   (2)补充微程序控制器特有的微操作：
   a.取指周期：
   Ad(CMDR)→CMAR
   OP(IR)→微地址形成部件→CMAR
   b.执行周期：
   Ad(CMDR)→CMAR
3. 确定微指令格式
4. 编写微指令码点

硬布线和微程序控制器的特点

image.png

---

1. 如微命令1使得PCout、MARn有效。完成对应的微操作1(PC)→MAR ↩︎