计算机组成原理——第五章中央处理器（中）

辞别再无相见月，终是一人度春秋

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前言

本文主要写的是控制器的设计，控制器的设计分为硬部件控制器(就是用纯硬件的方式来实现的一种控制器)和微程序控制器(本质上是硬件和软件的一种结合)，每一个指令可以分为取指周期(FE=1) 间指周期(IND=1) 执行周期(EX=1) 中断周期(INT=1),之前说过通过四个触发器来确定当前处于那个周期，一个机器周期内需要若干个微操作序列来完成这个机器周期内需要完成的事情，一个机器周期是由若干个时钟周期，每一个时钟周期(节拍)，我们的控制单元CU发出一个微命令，可完成相对应的微操作，微操作更多的是完成我们细分的工作，而微命令则是完成这个功能需要的控制信号，所以也就意味着完成一个微操作就需要一个与之对应的微命令，而且我们知道对于任何一个指令来说，取指周期，间指周期，中断周期所进行的微操作都是一样的，只有执行周期内有所不同，但是只要我们能知道指令的操作码，能够判断指令的具体类型，通过触发器可以确定处于那个周期，再通过节拍信号T0,T1 来确定目前需要进行什么样的微命令

5.4.1 硬布线控制器的设计

节拍信号是通过一个节拍发生器来发出的

硬布线控制器的设计步骤

安排微操作时序的原则
原则一：微操作的前后顺序不能随意修改，这里的前后关系指的是前后依赖关系，
原则二：操作对象不同的微操作，尽量安排在一个节拍内完成；因为对元器件的使用不同，所以每一个微操作使用的时间都是一个节拍
原则三：占用时间短的微操作，尽量安排在一个节拍内完成，并允许有前后顺序
但是这里（3）的后面不能再存放（4）是因为（3）需要访问内存所需要的时间较长 所以必须要给他分配一个节拍

组合逻辑设计
这里的i表示状态条件，在I上一个杠则表示I取反，下图也就表示当I这个条件满足的时候，我们将1放入IND(表示是否处于间址周期的触发器)这个触发器中，这就表示接下来要进入间接寻址的阶段，若是没有间接寻址的这个特征位，就将1放入EX这个触发器，也就直接进行执行阶段，上面的字母表示要进行的指令，下面的1 表示此指令可能需要的微命令，需用则用1

间址周期
这里同样需要注意这个IND上面一个杠的这个状态条件，当我们进行间接寻址，我们可能进行多级间接寻址，只有当这个标志信息为0的时候才已经完成了最后一级的间接寻址，这个时候才可以进入执行周期，若是为1，则下一个机器周期继续进行间接寻址

微操作信号综合
也就是确定一个微操作命令在取值周期，间址周期，以及执行周期中那些是需要此微操作命令信号，并用这些来写出微操作命令的逻辑表达式，表达式中+是或，*是且

本节总结

5.4.2 微程序控制器的基本原理

微操作序列之于指令相当于指令之于程序，用指令处理的这种思想来处理这些微操作序列一个微指令中可能包含多个微命令，一种机器指令会对应一个微程序，一个微程序又会有多个微指令序列来构成，在一个微程序中可能有多种微指令，每一个微指令需要有一个操作控制的字段，用若干个bit来表示当前这个指令的微操作是那几个，并且需要一个顺序控制的字段，用来指明下一条微指令的地址，这些微指令序列也是存放于一个控制器中一个特殊的存储器中的，所以是有一个地址的

微程序控制器的基本结构
这里的控制寄存器是用来存放微指令序列的，每一种机器指令对应一个微程序，而每一个微程序是由多种微指令序列组成，这些微指令序列在这个控制存储器中是顺序存放的，ROM的读取速度非常快，比RAM快，且ROM是一种非易失的芯片，断电之后存储的指令是不会丢失的，为了指明接下来的微指令存放的地址，我们也就需要一个CMAR
(在CU内部也就是MAR和PC的一个结合体)，这里也同样需要一个地址译码器把CMAR中的地址转化为CM中对应的存储单元的控制信号，之前我们从主存中取到一个指令，我们会先将这个指令送到一个叫做MDR的寄存器，再送到IR指令寄存器，对于CU内部的微指令也是类似的，从CM中取出一个指令我们需要先将其送到CMDR中，微地址形成部件的作用根据机器指令的操作码来确定这个机器指令的一个首地址，顺序逻辑：用于控制微指令的执行顺序的，因为微指令序列并不是一条一条的顺序往下执行例如若是有中断发生 到底要发出上面信号是根据CMDR来确定的
LDA是将X load进入ACC,15后面填0是因为若是没有中断周期就应该进入下一个取指周期，是否进入中断周期又要根据中断信号来进行判断，这里的转取指周期是指中断周期结束之后会进入下一个取指周期，若是告诉你某指令系统中有n条机器指令，则他们所对应的执行周期的微程序段也就不同，因此我们就需要n个微程序来描述，另外我们需要一个公用的取指周期的微程序，所以CM 中微程序段的个数至少是n+1个，若是我们把一个微程序看成是由取值，间址，中断，执行来看的话，那么一条指令对应一个微程序的说法也就是对的

本节回顾

5.4.3 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，

微指令的编码方式
也就是如何用若干的bit来表示一系列的控制信号
互斥的放于同一段中，这样就一定不会并行的发出两个互斥的微操作，相容的微命令分在不同的段内，也就有可能并行发出微操作

字段直接编码方式
优点：可以缩短微指令字长
缺点：要通过译码电路后在发出微命令，因此比直接编码慢

字段间接编码方式

指令的地址形成方式


知识回顾

5.4.4 微程序控制单元的设计

对于硬部件控制器和微程序控制器有区别的在于最后这一步
在硬部线控制器中我们是把指令的操作码部分送给了指令译码器id，指令译码器会发出与这根线相对应的选通信号
而对于微程序控制器来说我们把指令操作码送给微地址形成部件，由微地址形成部件来指明微程序的执行地址
我们执行完微指令a之后还需要穿插一个微操作，就是要把当前的微操作的下地址信息送到CMAR,这个微操作的执行也需要一个节拍，也就是我们每执行完一个微指令之后，都是需要一个节拍来寻找下一个的地址，取值周期的最后一个事情，我们还需要再加一个节拍，在这个节拍内，把微地址形成部件当前所指明的首地址放入CMAR中，这里发现如下图所示，硬布线控制器需要三个节拍，微程序控制器需要五个节拍

微程序设计分类