计算机组成：控制器

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一、概述

还记着数据通路那部分中，有一大堆控制信号咩，这些控制信号又称微命令，主宰着通路的正常运行，而控制器，就是在特定时间产生特定控制信号的系统，一般由下面三个部分组成：

  • 控制寄存器、译码器：PC、IR、指令译码器 ID
  • 时序信号产生器
  • 控制单元 CU

时序系统

时序系统由一组作为时间基准的信号组成，称为时序信号 。

三级时序体制

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  • 主状态周期：又称机器周期/CPU 周期，一个指令可由几个步骤组成，每一步所需要时间就是一个主状态周期
  • 节拍电位：一个主状态周期中可以执行多个相互独立的传送操作，可以将其划分为若干节拍点位，一个节拍宽度对应一个时钟周期，用来控制产生电位型操作控制信号
  • 节拍脉冲：在要给节拍点位中可以包含多个节拍脉冲，用于产生脉冲型操作控制信号，作为寄存器或触发器的控制信号

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计算机控制方式

同步控制

采用统一的时间基准信号为所有操作进行定时：

  • 完全统一的机器周期和节拍
  • 不定长机器周期
  • 中央控制与局部控制结合
  • 常采用三级时序系统（机器周期、节拍、脉冲）

异步控制

不需要统一的时间基准信号来定时

  • 每条指令、每个操作需要多少时间就占用多少时间
  • 当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成该操作后送回“完成”信号，再开始新的操作
  • 可以充分发挥各部件的运行速度，时间利用率高，但控制复杂，技术上不易实现
  • 异步控制的计算机常采用二级时序系统（节拍、脉冲）

联合控制

同步 + 异步

  • 以同步控制为主，以异步控制为辅，称为同步计算机
  • 以异步控制为主，以同步控制为辅，称为异步计算机

例如：

在一台计算机中，CPU 内部，常采用同步控制方式；主机和 I/O 间，常采用异步控制方式。

  • CPU和内存间，采用同步（同步机）
  • CPU和内存间，采用异步（异步机）

二、组合逻辑控制器

控制单元是一个组合逻辑网络，产生全机运行所需要的全部控制信号

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比如在多周期数据通路下，将各个周期间的信号的变化做成有限状态机，如图：

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目标 CU 有两种实现方案：

  • 同步 CU：组合逻辑模块 + 当前状态寄存器 SR

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  • 异步 CU：和同步没啥区别，就多一个 Ready 信号

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三、微程序控制器

控制单元被称为微程序控制单元，其组成核心是 CM（Control Memory，控制存储器），由微程序解释执行机器指令，产生指令运行所需要的全部控制信号。

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首先要确认各个微命令之间的关系：

  • 相容性微命令：能在同时或同一个时钟周期内有效的微命令，例如：存储器读（MemRd）、指令寄存器写（IRWr）、加法（add）和 PC 写（PCWr）等
  • 互斥性微命令：不能在同时或在同一个时钟周期内有效的微命令，例如：存储器读（MemRd）和存储器写（MemWr）等

将这些微命令用 0-1 表示，组成一大串二进制串，这个串就是所谓的微指令，若干微指令结合就能实现一条指令的执行，这些微指令合起来就是一段微程序，全部微操作都存在 CM 中。

微指令基本格式

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  • 操作控制字段（μOP）：一堆微命令
  • 顺序控制字段（μAddr）：指出下一条微指令在 CM 中的地址

微指令编码方式

直接编码方式

微操作控制字段的每一位表示一个微命令，“0”表示无效，“1”表示有效

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字段直接编码方式

将微操作控制字段分为若干小字段，把一组互斥微命令组织在一起，用一个小字段编码表示，将相容的微命令安排在不同字段内。在某一时刻，每个字段通过译码产生一条微命令，不同字段可以发出多条微命令

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注意：为每个字段分配编码时，应考虑无操作的情况，即 n 位通常仅能安排 2n -1 个微命令。

字段间接编码方式

在字段直接编码方式的基础上，若规定一个字段的某些微命令，要兼由另一个字段中的某些微命令来解释，称为字段间接编码方式

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混合编码方式

当分段编码方式（直接或间接）中某些小字段的位数少到只有一位时，就可认为是直接编码方式和字段直接编码方式的混合编码方式

举例

某机的微指令格式中，共有8个控制字段，每个字段可分别激活5、8、3、16、1、7、25、4种控制信号。分别采用直接编码和字段直接编码方式设计微指令的操作控制字段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。

⑴ 采用直接编码方式时，直接用微指令的操作控制字段的一位表示 1 个微命令，则操作控制字段的位数等于微命令个数，即：总位数 = 5+8+3+16+1+7+25+4 = 69 位

⑵ 采用字段直接编码方式时，每个小字段中的微命令应为互斥的。此时为每个小字段分配位数时要在有效微命令个数的基础上再加 1 种无操作状态，则每个小字段需给出的状态数分别为6、9、4、17、2、8、26、5种，据此设计的微指令的操作控制字段格式如下：

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共分8个小字段，微指令操作控制字段的总位数为： 总位数=3+4+2+5+1+3+5+3=26位

ps：与直接编码法相比，压缩了：69-26 = 43 位

微地址形成方法

直接表示方法

顺序控制字段直接给出后继微地址

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增量方法（计数器方法）

  • 硬件上CMAR 增加计数功能（μPC）
  • 两种基本格式：顺序微指令和转移微指令
  • 二路分支

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增量 + 下址字段相结合

  • 硬件上CMAR 增加计数功能（μPC）
  • 仅有一种微指令格式，每条微指令都具有转移功能
  • 二路分支

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断定方式

  • 后继微地址只能由微指令的顺序控制字段产生
  • 每一条微指令都具有转移能力，CMAR 无计数功能
  • 微指令中给出后继微地址的部分位，其余位由机器运行状态来断定（其实就是状态机）

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特点：可实现微程序的多路分支转移，转移路数由微地址被断定的位数决定

微入口技术

微入口解决的是机器指令 - 微程序对应的问题，根据特定机器指令进入对应的微程序执行的方法通常称为“功能转移”，按照机器指令操作码转移到相应微程序的入口，属于微程序多路分支，需要外加相应的硬件逻辑实现：

  • 硬件查表法（ROM 或者 PLA）

  • 转移地址产生逻辑

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设计实例

直接编码 + 直接表示 + 二级功能转移

  • 微命令编码方式：直接编码方式

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  • 微地址形成方法：直接表示方式

  • 微入口：二级功能转移（指令操作码译码，LW/SW）

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混合编码 + 编码选择 + 二级功能转移

  • 微命令编码方式：混合编码方式

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  • 微地址形成方法：编码选择微地址

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异步内存 + 混合编码 + 条件选择+ 编码选择

  • 采用异步内存方式：存储器以Ready应答MemRd、MemWr命令

  • 微命令编码方式：混合编码方式

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  • 微地址形成方法：条件选择+编码选择微地址

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