5.2 控制器：硬布线与微程序

控制器的输入与输出；硬布线控制器的原理与微操作信号的综合；微程序控制器的基本概念、组成与工作过程，微指令的编码方式、地址形成方式与格式。

控制器的输入与输出

控制器的任务是：根据当前指令、当前所处的周期和节拍以及机器的状态，产生各部件所需的控制信号。

• 输入：指令寄存器中的操作码；时钟信号；状态标志（PSW 中的 ZF、CF 等，用于条件转移）；来自系统总线（控制总线）的信号，如中断请求、DMA 请求。
• 输出：CPU 内部的控制信号（寄存器之间传送、ALU 操作等）；送往系统总线的控制信号（访存读/写、I/O 读/写、中断响应等）。

按照控制信号的产生方式，控制器分为硬布线控制器和微程序控制器两类。

硬布线控制器

硬布线控制器（组合逻辑控制器）由组合逻辑电路直接产生微操作控制信号：信号的取值是指令操作码、当前机器周期、节拍和状态条件的逻辑函数。

设计硬布线控制器时，先写出每条指令在各机器周期、各节拍的微操作（微操作命令的操作时间表），再把同一个微操作命令出现的所有条件”或”起来得到它的逻辑表达式。例如读主存命令 MemR 在三个场合出现：所有指令取指周期的 T1、间接寻址指令间址周期的 T1、ADD/LDA 等访存指令执行周期的 T1，于是

其中 FE、IND、EX 是机器周期标志，I 是指令中的间接寻址位，ADD、LDA 是指令译码器的输出。化简后用门电路实现即可。

特点：速度快；但指令越多、功能越复杂，逻辑电路就越庞杂，设计和调试困难，一旦实现就难以修改和扩充。适合指令简单规整的 RISC。

微程序控制器

微程序控制的思想是”用软件的方法设计硬件”：把每条机器指令的微操作序列编写成一段微程序，存放在 CPU 内部的控制存储器中；执行指令时，依次读出微指令，由微指令发出控制信号。

基本概念

组成与工作过程

微程序控制器主要由控制存储器 CM、微指令寄存器 CMDR、微地址形成部件和微地址寄存器 CMAR 组成。其工作过程为：

微指令的编码方式

编码方式指操作控制字段如何表示微命令：

1. 直接编码（直接控制）：每一位代表一个微命令，该位为 1 就发出该微命令。简单直观、速度快、并行性好，但微指令字长太长，控存容量大。
2. 字段直接编码：把操作控制字段分成若干段，互斥的微命令放在同一段内，相容的微命令放在不同段内，每段独立译码。每段还要留出一个状态表示”本段不发出任何微命令”，所以含 k 个微命令的段需要 $\lceil \log_2(k+1) \rceil$ 位。字长缩短了，但要经过译码，速度稍慢。
3. 字段间接编码：一个字段的某些微命令还要由另一个字段的某些微命令来解释。能进一步缩短字长，但削弱了并行控制能力，通常作为字段直接编码的辅助手段。

微指令的地址形成方式

后继微指令的地址可以由以下方式得到：

1. 下地址字段法（断定方式）：由微指令的顺序控制字段直接给出后继微指令的地址；
2. 计数器法：后继地址 = 现行地址 + 1（CMAR 自增），遇到转移时再由转移字段给出；
3. 根据机器指令的操作码形成微程序的入口地址；
4. 根据状态标志（如 ZF、CF）在若干分支地址中选择一个，实现微程序的条件转移；
5. 由硬件直接产生，如中断周期微程序的入口地址。

采用断定方式时，微指令格式为：操作控制字段 | 判断测试字段 | 下址字段。下址字段的位数取决于控存的容量（要能访问控存中的每一条微指令）；判断测试字段的位数取决于转移条件的个数。

微指令的格式

两者结合的称为混合型微指令：在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。

硬布线与微程序的比较

此外，若控存采用可改写的 EPROM，可以通过改写微程序改变机器的指令系统，称为动态微程序设计；用一段”毫微程序”来解释一条微指令，称为毫微程序设计。

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