10. 控制单元的设计

• 本笔记参考哈工大刘宏伟老师的MOOC《计算机组成原理（上）_哈尔滨工业大学》、《计算机组成原理（下）_哈尔滨工业大学》。
• 或者是B站《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清》，大家一起听比较热闹。
• 中文教材：《计算机组成原理（第二版）-唐朔飞.pdf》、《学习指导与习题解答（第2版）-唐朔飞.pdf》
• 本篇笔记对应课程第十章（下图加粗）。

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  第九章将指令周期分为四个机器周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期，并分析了每个机器周期当中 CU 要发出的各种控制信号/命令。本章在第九章的基础上，进一步介绍 如何设计控制单元 CU，主要有以下两种方法：

1. 组合逻辑设计：完全由硬件来实现，缺点是难以修改。
2. 微程序设计：采用“存储逻辑”的方式设计控制单元，非常适合指令集扩展。

10.1 组合逻辑设计

10.1.1 CU外特性

  上一章已经介绍过 CU 的外特性，下面具体来看一下CU输入输出信号的设置及位宽：

• 节拍发生器：m+1位，产生 CU 所需的节拍信号，m 表示单个机器周期所能包含的最大周期数。如上右图，假设每个机器周期都包含4个节拍，那么就只会用到 T₀~T₃，由 T₀~T₃ 控制每一个微操作命令或者是控制命令发出的时间。
• 操作码译码：根据译码结果通知 CU 要做什么操作。假设操作码为 n 位，那么经过“操作码译码”后会有 2ⁿ 根译码线输入到 CU，其中只有一根译码线是高电平。
• 标志：同样影响 CU 输出控制信号。比如“条件跳转指令”需要进行跳转条件的判断，就会用到这些标志信号。
• 控制信号：共有 k+1 位，每根控制信号都连接一个控制电路(9.2.2节-不采用CPU内部总线的方式)。在每个节拍中，一个或几个控制信号为高电平，控制CPU内各部件的运行。

实际上，上述给出了 通用的CU外特性，下面就来介绍如何使用“组合逻辑设计”实现CU内部结构。下一大节介绍如何使用“存储逻辑”实现CU内部结构。

10.1.2 微操作的节拍安排

• 控制信号C_i：共13个，蓝色标出。所有的控制信号都是在时钟、操作码译码、标志作为输入的情况下，由CU在给定的节拍下产生。并且 CU 的控制信号也会影响 ALU 的控制信号、CU 的标志。

  上一章我们讲解了非总线方式的CPU内部结构(如上图)，并介绍了机器指令执行过程中需要发出的所有控制命令，以及“多级时序系统”。于是我们需要将各个控制命令安排到不同机器周期的各个节拍上，也就是确定“微操作时序”。原则如下：

• 原则一：微操作的先后顺序不得随意更改。
• 原则二：可以并行执行的微操作，尽量安排在一个节拍内完成。
• 原则三：占用时间较短但有先后顺序的微操作，也尽量安排在一个节拍内完成，比如分别在上升沿、下降沿执行。

下面根据所给出的“前提假设”，来介绍“取指周期”、“间址周期”、“执行周期”、“中断周期”的微操作的节拍安排：

前提假设

• CPU结构采用非总线方式(9.2.2节-控制信号举例)。
• 采用同步控制方式，且一个机器周期内有3个节拍(时钟周期)。实际上节拍数和控制信号的数量、复杂程度、能否并行执行有关，所以不同机器的节拍数不同。

1. 取指周期 微操作的节拍安排：注意CPU内部寄存器→寄存器之间的操作耗时很短，如 MDR → IR。
   

2. 间址周期 微操作的节拍安排
   

3. 执行周期 微操作的节拍安排：【CLA】清零ACC；【COM】将ACC按位取反；【SHR】将ACC算术右移一位；【CSL】将ACC循环左移一位；【STP】停机指令；【ADD X】加法指令，将X所保存内容于ACC相加；【STA X】存数指令，将ACC内容保存到内存的X地址中；【LDA X】取数指令，将X地址中的数据存储到ACC；【JMP X】跳转指令，将PC跳转到给定的地址X；【BAN X】分支指令/条件转移指令，若上一条指令计算结果(假设为ACC)小于零，则将PC跳转到X，注意当前的PC已经是下一条指令，并且实际上应该用标志信号作为判断条件。
   

4. 中断周期 微操作的节拍安排：主要完成中断隐指令——“保存断点”、“形成中断服务程序的入口地址”、“关中断”。
   

注：PC指令计数器、MAR主存地址寄存器、MDR主存数据寄存器、OP(IR)指令操作码、Ad(IR)指令地址码、ID指令译码器。1→R表示CU发出读控制信号给存储器，1→W表示CU发出写信号。AC寄存器(ACC)、L(AC)左边的位、R(AC)右边的位、AC₀符号位。

10.1.3 组合逻辑设计步骤

1. 列出操作时间表

  根据上述节拍安排，我们便可以确定组合逻辑电路的设计。可以发现上述每个机器周期中的微操作数量有限，于是可以列表统计起来。下面给出6种指令的“取指周期”、“间址周期”、“执行周期”的操作时间表：

• 取指周期FE：间址特征 I 的决定了下一周期是 间址周期IND 还是 执行周期EX。
• 间址周期IND：间址周期标志 IND 决定了后续是否还要间址，$\overline{\text{IND}}$ 表示不需要。
• 执行周期EX：将每个指令对应节拍、对应微操作的位置标记“1”。
• 中断周期：本小节未给出。

2. 写出微操作命令的最简表达式

于是根据上表，将用到的指令和对应的节拍写进来，就可以得到每个微操作的组合逻辑控制表达式，比如【M(MAR)→MDR】来说：

M(MAR)→MDR
= FE·T₁ + IND·T₁(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EX·T₁(ADD+LDA)
= T₁{FE + IND(ADD+STA+LDA+JMP+BAN) + EX(ADD+LDA)}

3.画出逻辑图

根据上述表达式，就可以画出逻辑图：

最后总结以下“组合逻辑设计”的特点：

1. 思路清晰，设计简单，速度非常快，RISC就使用该方法。现代处理器将处理单元分为“整型处理单元”、“浮点处理单元FPU”，其中“整型处理单元”就是使用本方法。
2. 电路庞杂，调试和修改都很困难，难以进行指令集的扩展。因为上述例子只是一个控制信号，而要完成所有的机器指令需要还需要几十个控制信号的设计。

10.2 微程序设计

  “微程序设计”采用“存储逻辑”的方式设计控制单元，设计和修改都比较容易，非常适合指令集的扩展。

10.2.1 微程序设计思想

  1951年，英国剑桥大学教授Wilkes首次提出“微程序设计思想”。如下图所示，一条“机器指令”可以拆分成若干“微操作命令”，将单个节拍中的所有“微操作命令”组合在一起就是“微指令”。我们不妨将将“微指令”进行二进制编码，每一位都表示一种微操作，于是一个“微指令”就能发出本节拍的控制信号，将这些“微指令”按照节拍的顺序组合起来就是“微程序”。

最终如下右图所示，一条机器指令对应一个微程序，存入ROM，执行时依次读出，并执行相应的控制信号，即可完成机器指令。这就是“存储逻辑”。图中假设每个机器周期都是三个节拍，所以微程序长度都是3：

• “取指周期微程序”结束后，需要根据机器指令的操作码才能确定下一微指令的地址，所以标记为“XXX”。
• “间址周期微程序”结束时根据机器指令的操作码才能确定下一微指令的地址，所以也是“XXX”。
• “中断周期微程序”结束时会直接转回到“取指周期微程序”。
• 【LDA指令】、【STA指令】执行完毕后，会返回到“取指周期微程序”的首地址。

  下图给出了微程序控制单元的基本框图，注意“微指令格式”也是分为“操作控制字段”、“下地址字段(顺序控制)”两部分，“操作控制字段”的每一位都表示一个微操作控制信号，“下地址字段”则给出下一条微指令的地址。如下：

• 微地址形成部件：根据机器指令的操作码形成微程序地址。
• 顺序逻辑：实际上是一个多路选择器，其控制信号为“标志、CLK”。由于 CMAR 有多个数据来源，所以“顺序逻辑”负责选择正确的数据来源并将其传递给 CMAR。比如刚开始执行机器指令需从“微地址形成部件”找到第一条微指令，后续则可以直接根据“下地址”找到下一条微指令地址。
• 地址译码：微指令的地址保存在 CMAR 中，经过“地址译码”可以将读出的数据送入到 CMDR 中。
• 控制存储器【核心】：是一个ROM，所有的微程序都保存在其中。

注：CMAR控制存储器地址寄存器、CMDR控制存储器数据寄存器。

  下面给出“微程序设计”中的两个小概念：

1. 静态微程序设计和动态微程序设计：根据“控制存储器”的不同，分为两种。

• 静态微程序：采用ROM，无须修改微程序。
• 动态微程序：采用EPROM，可以修改微程序。常用于指令集的开发，一般很少修改指令集，而是增加指令集。

2. 串行微程序控制和并行微程序控制：微指令也可以使用“流水技术”提升微程序执行速度。
   

  最后使用一个小例子，进一步说明微程序的执行过程。如下图，用户程序在“主存”中给出，“控存”则保存了所有机器指令所对应的微程序。于是执行用户程序的过程，就是根据机器指令不断执行其对应的微程序：

1. 【LDA X】取指周期：执行“取指周期微程序”。根据机器指令的操作码，得出是【LDA指令】，于是下一个机器周期就跳转到【LDA指令】对应的微程序。
2. 【LDA X】执行阶段：按照顺序执行“LDA微程序”，执行结束后返回“取指周期微程序”，加载下一条指令。
3. 【ADD Y】取指阶段：执行“取指周期微程序”。根据机器指令的操作码，得出是【ADD指令】，于是下一个机器周期就跳转到【ADD指令】对应的微程序。
4. 【ADD Y】执行阶段：按照顺序执行“ADD微程序”，执行结束后返回“取指周期微程序”，加载下一条指令。
5. …不断的循环往复，即可执行完所有的用户程序。
   

下一节将继续介绍两个关键问题：

• 微指令的“操作控制字段”如何形成微操作命令？
• 微指令的后续地址如何形成？

10.2.2 微指令格式

  上一小节已经介绍了微指令的格式，主要由“操作控制字段”、“下地址字段”两部分构成，“操作控制字段”给出当前微操作的控制信号。下面给出几种“操作控制字段”的编码方式：

1. 直接编码：也被称为“直接控制”。操作控制字段中的每一位都代表一个微操作命令，为“1”表示该控制信号有效，速度最快。实际上就是上一小节最后的例子，比如第一位就表示【PC→MAR】、第二位表示【M(MAR)→MDR】、…、最后一位表示【1→R】等不同的微操作。
2. 显式编码：也被称为“字段直接编码”。将微指令的控制字段分成若干“段”，每“段”经译码后发出控制信号。每个字段中的命令是互斥的，不同字段的命令可以并行执行，可以缩短微指令字长，但译码速度较慢。
3. 隐式编码：也被称为“字段间接编码”。每一段的译码结果和其他段有关。
4. 混合编码：混合使用上述编码方式，比如常用的微指令使用“直接编码”，不常用的微指令使用“显式编码”/“隐式编码”，相比于只使用“直接编码”可以压缩微指令字长。
5. 其他：留待大家思考。

另外，根据“操作控制字段”的不同，微指令格式还可以分为：

1. 水平型微指令：“操作控制字段”可以直接被译码并发出控制信号，特点是宽而扁，对存储需求较高。上述介绍的所有编码方式都是“水平型微指令”。

2. 垂直型微指令：“操作控制字段”不能直接被转换成控制信号，而是类似于机器指令的操作码，采用更高级别的编码，需要专门的译码电路。特点是窄而深，可以减少对存储的需求，但会提升微程序译码复杂度。优点是可以控制硬件完成非常复杂的操作。具体见下一小节“10.2.3节-毫微程序设计”。

3. 两种微指令格式的比较

• 水平型微指令并行操作能力更强，灵活性更强。
• 水平型微指令执行一条机器指令所要的微指令数目少，速度快。
• 水平型微指令较长，但设计的微程序较短；垂直性微指令较短，但设计的微程序结构较长。
• 水平型微指令与机器指令的差别大；垂直型微指令则非常类似。

  “下地址字段”主要提供下一条微指令的地址，比较简单，所以我们来介绍“多路选择/顺序逻辑”。微程序控制单元的“顺序逻辑”用于从所有输入中选择一个有效的微指令地址，其输入来源主要有以下几种：

1. 微指令的“下地址字段”。

2. 根据机器指令的“操作码”形成。

3. 增量计数器：在取指阶段、执行阶段的下地址都是直接+1，也就是【(CMAR)+1 → CMAR】。

4. 分支转移微指令：分支转移微指令的格式如下，其中“转移方式”指明判别条件，“转移地址”指明转移成功后的去向。
   

5. 通过测试网络：将下地址分成两段，低位经过测试源进行变换，再和高位组合在一起形成新的微指令地址。可用于微程序在小范围内的跳转，也就是一种“条件转移操作”。
   

6. 由硬件产生微程序入口地址：也就是一些固定地址的指令可以由硬件直接产生，比如刚开机要执行的第一条微指令的地址、中断周期的微程序首地址、间址周期的微程序首地址。

10.2.3 毫微程序设计

  前面介绍过“微程序设计”就是用微程序解释机器指令，而“毫微程序设计”就是用毫微程序解释微指令，毫微指令与微指令的关系好比微指令与机器指令的关系，如上图所示。之所以会多出“毫微指令”这个概念，是因为上一小节提到的“垂直型微指令”被极度压缩，需要使用专门的译码电路来将其转换成控制信号。如下图所示，左侧的“控制存储器(微程序)”使用“垂直型微指令”编写，取出该微指令后，就可以将其地址码送入“控制存储器(毫微程序)”。“毫微指令”使用水平型编码，可以直接发出控制信号。于是通过这样的方式，就将“垂直型微指令”转换成一系列“水平型微指令”：

10.2.4 微程序设计举例

前提假设

• CPU结构采用非总线方式(9.2.2节-控制信号举例)。
• 微指令采用“水平型编码方式”。
• 后续微指令的地址，要么由机器指令的操作码通过“微地址形成部件”形成，要么由微指令的“下地址字段”直接给出。

1. 写出机器指令的微操作及节拍安排
  最后一节，通过一个例子来理解整个“微程序设计”的过程。我们首先写出所有机器指令的微操作及节拍安排，“微操作”决定了微指令的“操作控制字段”，“节拍安排”则决定了微指令的先后顺序。注意和 “10.1节-组合逻辑设计”不同，我们不仅要考虑 CPU 内(微程序控制单元之外)各结构之间的操作，还需要考虑新增加的“微程序控制单元”内部的操作：

1. 取指阶段的微操作及节拍安排：总体还是分为“发送指令地址”、“取指令”、“操作码译码”三大阶段，但增加了“微程序控制单元”的操作，注意最后将操作码的译码结果送给CMAR。
   

2. 执行阶段的微操作及节拍安排：考虑到需形成后续微指令的地址，由微指令下地址字段 Ad(CMDR) 指出。黑色表示 “微程序控制单元” 外部的操作、蓝色表示 “微程序控制单元” 内部的操作。
   

注：指令含义见“10.1.2节-微操作的节拍安排”。

上述共10条指令，一共包含20种微操作(节拍)、38条微指令(节拍中包含的所有动作)。

2. 确定微指令字长

  “微操作”的数量决定的“操作控制字段”的位宽，“微指令”的数量决定“控制存储器”的存储单元数量。于是上述10条指令，一共包含20种微操作、38条微指令，也就对应“操作控制字段”位宽为20，“控制存储器”的存储单元个数最少是38，于是“地址字段”最少需要6位。于是微指令字长最少为 20+6=26 位。

  但微程序控制器的结构还可以进一步简化！这是因为上述所有和 CMAR 相关的19条微指令中，只有 1 条是 【OP(IR)→微地址形成部件→CMAR】，剩余18条都是【Ad(CMDR)→CMAR】。若设置“控存地址线”，将上述两种微指令直接输出到“控存地址线”，则不仅省去输至CMAR的时间，也可以省略 CMAR！此时便消除了19条微指令、2个微操作。总计10条指令，只剩下18种微操作、19条微指令！于是“操作控制字段”最少取18位，存储单元最少为19个，“下地址字段”最少取5位。

考虑留有一定的余量，“操作控制字段”设置为 24 位，“下地址字段”设置为 6 位，水平型微指令共 30 位。

3. 编写微指令码点
  根据前两步，我们便可以定义“操作控制字段”每一位所对应的控制动作，然后就可以以表格的方式给出微程序所包含的微指令，也就是如下的“微指令码点”：

完结撒花