一、课程整体引入1.控制器两大实现方案硬布线控制器纯硬件组合逻辑电路实现控制单元 CU本节讲解微程序控制器硬件 软件结合实现下一节讲解2.前置知识回顾指令执行四层机器周期所有指令执行流程分为 4 类机器周期由专用触发器标记当前周期3.基础核心概念串联a.时钟周期节拍 T0/T1/T2…最小时序单位节拍发生器产生循环节拍信号b.机器周期由若干节拍组成完成一类固定操作取指 / 间址 / 执行 / 中断c.微操作CPU 最小基础动作PC→MAR、读主存、ACC 清零等描述 “要做什么”d.微命令CU 输出的控制信号和微操作一一对应描述 “硬件发出什么信号”e.并行微操作同一节拍内可同时执行互不冲突的微操作被控对象不同、无数据依赖4.定长机器周期设计规则本课程统一采用所有机器周期节拍数量完全相等简化硬件电路节拍数取访存操作所需最大节拍访存速度最慢决定上限若某周期实际只用更少节拍有效微操作统一放在周期末尾节拍空余节拍空操作。二、硬布线控制器 CU 的四大输入CU 判断输出微命令的全部依据CU 根据 4 组信号组合逻辑生成所有微命令控制信号是硬布线控制器核心原理1.操作码译码信号指令类型IR 寄存器存放指令操作码送入译码器N 位操作码产生 2ᴺ根输出线某一根高电平代表当前执行对应指令如 ADD、LDA、JMP。2.机器周期触发器信号FE/IND/EX/INT4 个触发器内部集成在 CU任意时刻仅有一个为 1标识当前处于哪一类机器周期。3.节拍时序信号T0、T1、T2…节拍发生器接收时钟脉冲循环输出单根高电平节拍线标识当前机器周期内第几个节拍周期结束自动回到 T0 开启下一个机器周期。4.机器状态条件标志来自运算器、主存、IO 的反馈信号用于分支判断PSW 程序状态字溢出、正负、零标志ACC 符号位 A0条件转移指令判断依据主存 / IO 设备反馈信号。CU 输出每一根输出导线对应一条微命令直接连接寄存器读写、主存读写控制引脚一条导线有效即执行对应微操作。三、单条微命令的逻辑实现原理示例 1微操作 PC→MAR对应微命令 C1触发条件取指周期 FE1 且 当前节拍 T01逻辑表达式C1 FE · T0硬件电路FE、T0 接入与门与门输出即为 C1 控制信号只有两者同时为高才输出有效信号。示例 2微操作 MAR→MDR访存读该微操作多处场景使用逻辑表达式由多组条件或运算拼接1.FE・T1所有指令取指周期 T1 节拍必须读指令2.IND・T1・(访存类指令译码信号)间接寻址周期 T1访存指令读取有效地址3.EX・T1・(ADDLDA)加法 / 取数指令执行周期 T1读取操作数三者任意一组满足微命令生效。电路实现三组独立与门全部输出接入一个大或门或门最终输出控制信号。核心规律1.逻辑表达式 多组触发条件「或」每组条件内部周期信号・节拍信号・指令译码信号・状态条件「与」2.逻辑表达式直接等价硬件电路与门、或门组合即可实现表达式越复杂硬件电路越庞大。四、硬布线控制器完整四大设计步骤考试核心流程步骤 1分析全部指令各周期微操作序列1.公共周期所有指令操作完全一致取指周期PC→MAR、发主存读、MDR→IR、操作码送译码器、PC 自增 1间址周期IR 地址码→MAR、读主存获取有效地址、有效地址覆盖 IR 地址码中断周期统一保存断点、程序切换原理一致。2.执行周期指令差异化最大举例典型指令微操作3.目标梳理所有微操作会在哪种指令、哪个周期、何种状态下被调用。步骤 2选定 CPU 同步控制方式核心二选一定长机器周期 / 不定长机器周期本课统一采用同步控制定长机器周期约定每个周期固定 3 个节拍 T0/T1/T2。步骤 3微操作时序分配安排到对应节拍三大分配原则1.先后顺序不可颠倒有数据依赖的微操作必须分节拍例PC→MAR 必须在 MAR 读主存之前2.被控对象不同可并行CPU 内部寄存器传送、主存读写分属不同硬件同一节拍可同时执行3.内部高速传送可同节拍访存必须单独节拍寄存器之间数据传输速度极快连续两步可放同一节拍访问主存速度慢必须独占一个完整节拍。分配示例取指周期 3 节拍分配•T0PC→MAR 主存读信号被控对象不同并行•T1MDR←M (MAR)访存独占 PC1无依赖并行•T2MDR→IR IR 操作码送译码器内部高速传送并行补充规则无访存、操作极少的指令CLA、JMP微操作统一放在周期最后一个节拍 T2。步骤 4硬件电路细分设计三步1.列出操作时间表表格维度机器周期FE/IND/EX→节拍T0/T1/T2→所有指令表格内标记 1 代表该指令在此节拍需要执行对应微操作。公共操作取指周期全部指令整列标 1条件操作间接寻址、条件转移根据指令类型、状态标志选择性标 1区分访存 / 非访存指令非访存指令无 IND 周期相关操作。2.化简微命令逻辑表达式遍历表格收集某一微操作所有生效场景用「与、或」写出完整逻辑式布尔代数化简减少门电路数量。3.绘制组合逻辑电路表达式中每一组 “与条件” 对应一个与门所有与门输出接入或门最终输出微命令控制信号。五、硬布线控制器优缺点 适用场景优点1.纯硬件组合逻辑实现无额外译码延迟指令执行速度极快2.控制信号即时生成流水线 CPU 普遍采用。缺点1.电路复杂度随指令数量爆炸式增长指令集越大逻辑门数量激增硬件设计难度极高2.扩展性极差新增 / 修改指令需要大规模重构全部组合逻辑电路几乎无法后期拓展指令3.故障排查、硬件修改成本高。适用架构1.RISC 精简指令集指令数量少硬件复杂度可控ARM、RISC-V2.不适合 CISC 复杂指令集x86CISC 普遍采用微程序控制器。六、易混考点总结复习重点1.微操作 vs 微命令微操作是动作微命令是硬件控制信号一一对应2.四种周期触发器FE 取指、IND 间址、EX 执行、INT 中断3.定长机器周期节拍数由最慢的访存操作决定4.并行微操作前提无数据依赖、被控硬件不冲突5.硬布线核心依靠组合逻辑电路四大输入信号共同决定微命令6.硬布线最大短板指令集拓展困难复杂指令集不适用。
