# Lecture16 - 控制器

# 处理器结构

# 寄存器

用户可见寄存器允许编程人员访问，用户是指编程人员

控制和状态寄存器大多数是用户不可见的

两者的界限并不分明

# 用户可见寄存器

条件码寄存器是至少部分用户可见，但同时构成了控制器。

条件码寄存器不是必须的，优点是有些指令会变得简单，缺点是硬件复杂度会变高。

# 设计出发点

1. 特定还是通用：影响指令集的设计，比如，算数指令指定将结果存放在特定寄存器中，可以减少操作数；三操作数会更加的灵活
2. 太少，寄存器不够用；太多，效率未必提高，成本上升
3. 越长，成本越高

# 保存和恢复

# 控制和状态寄存器

• PC + 1 或者重新加载
• IR
• MAR
• MBR

更多的寄存器，更少的访问主存 or 更多的信息放在主存中，更少地访问寄存器

# 微操作

# 取指周期

左边是微操作，右边是示意图。

1. a - b : PC 的地址 copy 到 MAR，MAR 和 PC 中的内容一样
2. b - c : PC 加 1，将存储器中的数据中放入 MBR
3. c - d : 将 MBR 的内容让如 IR（指令寄存器）

PC + 1 可以放到第三个指令周期吗？ 可以，微操作是不唯一的

# 微操作分组原则

避免冲突 —— 不能在一个周期里对同一个寄存器进行读和写的操作

可以把 PC+1 另外开一个周期吗？不可以，这样太耗时了

# 间址周期

# 执行周期

# 中断周期

# 指令周期代码 ICC

# 取指周期

最后一根线都是朝右的

# 间址周期

# 执行周期

判断操作码，决定执行的指令

允许中断，进入中断；不允许则继续

# 中断周期

# 控制器

箭头所指即为总线和寄存器之间的门

MBR 和 AC 中的东西并不能同时放到总线上，因此需要将 MBR 的内容放到 Y 当中，此时可以同时获得两个数据。

# 控制 CPU 的功能需求

# 控制器输入

指令寄存器：寻址方式（是否有间址周期），不同的操作码决定了不同的微操作顺序

标志：

时钟：

来自控制总线的控制信号：特例 —— 中断请求

# 控制器的输出

二进制输入量 —— 所有的控制信号都是 0 或者 1

# 取指周期

1. 红色的线
2. 绿色的线
3. 黄色的线

# 控制器的最小特性

“少量的”

# 控制器实现

# 硬布线

# 硬布线：控制器输入

左边 I1-I4 输入

右边 O1-O16 输出

# 硬布线：控制器逻辑

PQ 的非表示 00，表取指周期

非 P Q 表示 01，表间址周期

P 非 Q 表示 10，表执行周期，某些操作需要用到 C5

缺点：指令表示会越来越复杂，硬件结构变复杂，集成度降低

# 微程序实现

固件

每个周期产生一组控制信号（二进制数字），然后将这些二进制子串串在一起，得到微操作序列

每个时钟周期，将 CPU 内部控制信号和系统总线控制信号取出，放到控制线上，发出控制信号，各门判断是否执行。

分支条件判断是否跳转。

对于相同的操作码，有相同的微程序序列

# 微程序控制器：任务

主要任务为定序和执行

# 微程序控制器：定序

# 微程序控制器：构成

# 微程序控制器：工作流程

上一张 ppt，最后一步生成地址有三种选择

在微指令进行编码，缩短微指令，在译码器中进行译码

# 微程序实现：优点与缺点

# 总结