控制器的功能和工作原理
控制器的结构和功能
连接关系
运算器：运算器部件通过数据总线与内存储器、输入设备和输出设备传送数据。
输入设备和输出设备：输入设备和输出设备通过接口电路与总线相连接。
内存储器、输入设备和输出设备：内存储器、输入设备和输出设备从地址总线接收地址信息；从控制总线得到控制信号，通过数据总线与其他部件传送数据。
控制器部件：控制器部件从数据总线接受指令信息；从运算器部件接受指令转移地址，送出指令地址到地址总线；还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号。
功能
- 从主存中取出一条命令，并指出下一条指令在主存中的位置。
- 对指令进行编码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
- 指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流动方向。
根据控制器产生微操作信号的方式的不同，控制器可以分为硬布线控制器和微程序控制器。
2022年之后考试权重下降，可以不用看设计，只需掌握基本原理和概念。复习只需看下面的对比图，其他内容不必学习，2023大纲未提及硬布线和微程序控制器设计，难度较大，大题可直接放弃。
硬布线和微程序控制器的对比
| 硬布线控制器 | 微程序控制器 | |
|---|---|---|
| 工作原理 | 需要结合各微操作的节拍安排，综合分析，写出逻辑表达式，再设计逻辑电路图 | 按照节拍的安排，顺序执行微操作 |
| 特点 | 采用硬件电路，速度快 | 速度较慢（主要是因为增加了从CM读取微指令的时间） |
| 设计难度大，成本高，不易扩展 | 灵活性高，易扩充修改 | |
| 时序系统复杂 | 时序系统简单 | |
| 应用场合 | RISC | CISC CPU |
| 常考点 | 微操作控制信号的形成主要与指令译码信号和时钟信号有关（见CU的输入信号来源） | 微程序入口地址是机器指令的操作码字段 |
| 微处理器与微程序控制器没有必然联系，微处理器是相对于一些大型处理器而言的 | 控制存储器CM采用ROM组成，一条微指令存放在CM单元中；CM属于CPU的一部分 | |
| 微机的CPU都是微处理器 | 微指令计数器决定微指令执行顺序 | |
| 各种“微”的关系 | 字段直接编码法每个互斥类为一个字段，每个字段需要留出一个状态 | |
| 每条机器指令编写成一个微程序 | 微指令的编码方式中，直接编码方式效率最高 | |
| 每个微程序包含若干微指令 | 兼容性微命令是指可以同时产生，同时完成某些某操作的微命令 | |
| 每条微指令对应一个或几个微操作命令 | 若指令系统中有n种机器指令，则控制存储器中的微程序数至少是n+2个 | |
| 机器指令—⇒微程序—⇒微指令---⇒微操作命令 |
微程序控制器中，水平型微指令和垂直线微指令的对比
| 水平型 | 垂直型 |
|---|---|
| 并行操作能力强，效率高，灵活性强 | 相反 |
| 执行一条指令的时间短 | 相反 |
| 微指令字位数较多，微程序较短 | 相反 |
| 用户难以掌握 | 与指令相似，用户好掌握 |
硬布线控制器
基本原理
根据指令的要求、当前的时序及外部和内部的状态，按时间顺序发送一系列微操作控制信号。
是由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，又称组合逻辑控制器。
硬布线控制单元图
CU的输入信号来源：
经指令编译器译码产生的信号。
时序系统产生的机器周期信号和节拍信号。
来自执行单元的反馈信号，即标志。
微操作控制信号的形成主要与指令译码信号和时钟信号有关。
硬布线控制器的时序系统及微操作
时钟周期：用时钟信号控制节拍发生器，可以产生节拍，每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。
机器周期：可以视为所有指令执行过程中的一个基准时间。
指令周期：CPU从主存中取出并执行一条指令的时间称为指令周期。
微操作命令分析：控制单元发出各种操作命令序列的功能。
CPU的控制方式
同步控制方式：
系统有一个统一的时钟，所有的控制信号都来源于这个统一的时钟信号。
通常以最长的微操作序列和最繁琐的微操作作为标准。
采取完全统一的、具有相同时间间隔和相同数目的节拍作为机器周期来运行不同的指令。
优点：控制电路简单。
缺点：运行速度慢。
异步控制方式：
不存在基准时标信号，各部件按照自身固有速度工作，通过应答方式进行联络。
优点：运行速度快。
缺点：控制电路较为复杂。
联合控制方式：
介于同步、异步之间的一种折中。
对大部分采用同步控制，小部分采用异步控制。
设计步骤(直接放弃😭)
列出微操作命令的操作时间表。
进行微操作信号综合。
画出微操作命令的逻辑图。
微程序控制器
基本原理
采用存储逻辑实现，即把微操作信号代码化。
基本思想
• 将每条机器指令编写成一个微程序，每个微程序包含若干微指令，每条微指令对应一个或几个微操作命令。
• 机器指令
• 这些微程序可以存到一个控制存储器中，用寻址用户程序机器指令的办法来寻址每个微程序中微指令。
基本概念
微命令与微操作
• 微操作是计算机中最基本、不可再分解的操作；微命令执行的操作叫做微操作。
• 微命令将控制部件向执行部件发出的各种控制命令；是构成控制序列的最小单位。
微指令和微周期
• 微指令是若干微命令的集合。
• 微地址存放微指令的控制存储器的单元地址。
• 微周期指的是从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。
• 微指令的两个组成部分：微操作码字段和微地址码字段。
主存储器与控制存储器
• 主存用于存放程序和数据，在CPU外部，用RAM实现；
• CM用于存放微程序，在CPU内部，用ROM实现。
程序与微程序
• 程序是指令的有序集合，用于完成特定的功能；
• 微程序是微指令的有序集合，一条指令的功能由一段微程序实现。
微程序和机器指令 • 一般来说，一条机器指令对应一个微程序。
