控制器

控制器是 CPU 的指挥中心，负责产生各种控制信号来协调 CPU 各部件的工作。控制器的实现方式主要有硬布线控制器和微程序控制器两种。

核心功能

1. 取指令：从内存取出指令
2. 译码指令：分析指令操作码
3. 产生控制信号：驱动数据通路执行操作
4. 控制时序：协调各操作的先后顺序
5. 处理中断：响应和处理中断请求

控制信号的来源

1. 指令操作码 → 译码器 → 控制信号
2. 时序信号   → 时序发生器 → 节拍信号
3. 标志位     → 条件判断 → 条件控制信号
4. 外部信号   → 中断逻辑 → 中断控制

基本原理

• 用组合逻辑电路直接产生控制信号
• 控制信号是输入信号（指令、时序、标志）的逻辑函数

设计步骤

1. 分析每条指令的执行过程
2. 列出每个时钟周期需要的控制信号
3. 写出每个控制信号的逻辑表达式
4. 用组合逻辑电路实现

特点

指令越多 → 控制信号逻辑越复杂
修改指令 → 需要重新设计和制造芯片
验证困难 → 组合逻辑难以穷举测试

基本思想

• 将每条机器指令的执行分解为一系列微操作
• 每个微操作对应一个微指令
• 微指令存储在控制存储器（CM）中
• 执行机器指令 = 执行对应的微程序

基本概念

• 微操作（Micro-operation）：CPU 能执行的最基本操作，如 PCout=1, MARin=1, Read=1（将 PC 送 MAR 并读内存）。
• 微指令（Microinstruction）：控制一步操作的所有微命令的集合，存储在 CM 的一个单元中。
• 微程序（Microprogram）：实现一条机器指令的微指令序列。
• 控制存储器（CM）：存放所有微程序的专用存储器，通常用 ROM / PLA 实现。

微指令格式

微指令的编码方式

• 直接编码：每个微命令占 1 位（0/1），并行性最好但字长很长。
• 字段直接编码：组内互斥的微命令放在同一字段，用二进制编码（如 ALU 操作 2 位可表示 4 种）。
• 字段间接编码：一个字段的含义受另一个字段控制，减少字段数但增加译码复杂度。

微地址的形成方式

• 直接给出：下地址字段直接给出下一条微指令地址。
• 增量方式：μPC ← μPC + 1，类似机器指令 PC 递增。
• 分支方式：根据条件（如操作码）形成下地址，用于多路分支。
• 由机器指令操作码形成：取指微程序执行完后，按 IR 操作码查入口地址表跳转。

微程序执行流程

1. 取指微程序（公共）：从内存取指令到 IR，PC ← PC + len
2. 根据操作码形成微程序入口地址
3. 逐条执行该机器指令对应的微指令
4. 返回取指微程序

1. 分析每条机器指令的功能
2. 将每条指令分解为微操作序列
3. 设计微指令格式
4. 分配微指令地址
5. 编写微程序（微指令序列）
6. 实现控制存储器

思想

• 两级微程序：第一级毫微程序解释微指令，第二级微程序解释机器指令。