5.1 CPU功能和组成

CPU由运算器、控制器、cache以及一些其他的逻辑部件。

CPU中的主要寄存器；

• 数据缓冲寄存器 DR 暂时存放来自ALU的运算结果
• 指令寄存器 IR 保存当前正在执行的一条指令。
• 程序计数器 PC 执行一次+1
• 数据地址寄存器 AR 保存当前访问数据的地址
• 通用寄存器 Ri 为ALU提供一个工作区临时存放数据
• 程序状态字寄存器 PSW 记录进位、溢出、正负等

操作控制器的分类：

• 时序逻辑型 硬布线控制器（RISC）
• 存储逻辑型 微程序控制器（CISC）

5.2 指令周期

指令周期是取出一条指令并执行的时间。

一个指令周期由若干CPU周期组成，CPU周期又称机器周期，一个机器周期通常需要若干时钟周期（通常是4个）

• 一条指令包括一个取指周期和一个执行周期，
• CPU周期数在数据通路中是明确的
• 数据通路的建立受到操作控制器的控制，决定于执行什么指令

5.3 时序产生器和控制方式

在CPU中存在一个类似作息时间的东西，称为时序信号。
时序信号通过时序信号发生器产生。

作用：
CPU中控制器用来控制节奏，同时按照顺序规定每一个时序信号的任务。

CPU可以通过时序信号/周期信息判断当前是取指周期还是执行周期（判断取出的是指令还是数据）

体制：
基本体制是电位-脉冲制，

5.4 微程序控制器(*)

基本概念

• 微命令：是控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
• 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。
  • 微命令和微操作是一一对应的。微操作是执行部件中最基本的操作
  • 相斥的微操作：不能同时或同一个节拍执行的微操作
  • 相容的微操作：可以同时或同一个节拍执行的微操作
• 微指令：在一个CPU周期中，一组实现一定操作的微命令组合构成一条微指令，微指令存储在控制器中的控制存储器中。
  • 一条微指令至少包含两大部分：操作控制部分、顺序控制部分。
  • 操作控制部分：某位为1发出微命令，某位为0，不发出微命令。
  • 顺序控制部分：用来控制产生下一条微指令地址。
• 微程序：一条机器指令的功能是由多条微指令组成的序列构成的，这个微指令序列就叫做微程序。

微程序控制器原理

• 控制存储器
  • 微程序控制器核心部件，存放微程序
• 微指令寄存器 微地址寄存器和微命令寄存器构成了微指令寄存器。
  • 微地址寄存器 决定访问的下一条微指令地址
  • 微命令寄存器 保存一条微指令操作的控制字段和测试判别字段的信息
• 地址转移逻辑
  • 用于产生初始微地址和后继微地址，保证微指令连续执行
  • 承担自动完成修改地址的任务（通过测试判别字段）

补充：BCD编码

当BCD编码小于9时是正确的，
大于9的时候需要加6修正

微指令周期等于读出微指令时间+执行微指令时间，为了保证机器控制信号同步，可以将一个微指令周期时间设计的恰好和CPU周期时间相等。

如T4做取指，T1-T3做执行微指令时间。

机器指令和微指令的关系：

• 机器指令对应一个微程序，一条机器指令完成的操作划分成若干微指令来完成。
• 前者与内存储器有关，后者与控制寄存器有关
• 每一个CPU周期对应一个微指令。

微程序设计

三种编码方式：

• 直接表示法 0 1 控制计算机
  • 简单直观，输出直接用与控制
  • 但微指令字太长，因而使控制器容量变大
• 编码表示法 分成若干小组通过译码器选择微命令
  • 避免互斥，缩短指令，
• 混合表示法
  • 两者结合，兼顾特点，但是有些编码不能独立定义微命令，需要与其他字段联合定义

微指令地址形成方式

• 计数器方式 微程序计数器 $\mu PC$
  • 一般情况下都是将微地址寄存器 $\mu MAR$作为 $ \mu PC$
  • 后继地址为现行地址加上一个增量产生。
  • 特点：简单，易于掌握，编制微程序容易
  • 缺点：不能实现两路以上的并行微程序转义转移，不利于提高微程序的执行速度。
• 多路转移方式
  • 根据状态条件/测试/微指令中微地址/操作码
  • 如果测试字段有一位,可以产生两个分支,两位四个分支,以此类推,n为可以产生$2^n$个分支

微指令格式

• 水平型微指令
  • 可以一次定义并执行多个微命令的微指令
  • 优点:
    • 微指令字长越长,速度越快
    • 微指令的微操作有高度的并行性
    • 微指令译码简单
    • 控制存储器的纵向容量小,灵活性强
  • 缺点:
    • 字长长,增加了控制存储器中横向容量
• 垂直型微指令
  • 采用编码方式,设置微操作码子弹,采用操作码编译法,由操作码规定微指令功能
  • 设置微操作控制字段时,一次只能执行一到二个微命令
  • 垂直型微指令结构类似于机器指令的结构

两者比较:

• 水平型微指令并行操作能力强,效率高,灵活性强. 垂直型微指令较差
• 水平型微指令执行一条指令的时间短,垂直型微指令执行时间长
• 水平型微指令字长较长、程序较短，垂直型微指令相反。
• 水平型微指令用户难以掌握，垂直型微指令与机器指令类似，容易掌握。

动态微程序设计

一台计算机的机器指令只有一组微程序，这一组微程序设计好之后一般无需改变也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。

采用EPROM作为控制存储器，可以通过改变微指令和为程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。

5.5 硬连线控制器

基本思想

控制部件就是产生专门固定时序信号的逻辑电路，因此逻辑电路中一使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。

这种逻辑电路是由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络，称为硬连线控制器。

特点

• 优点：速度快
• 缺点：结构复杂，设计、调试困难

硬布线控制器速度快，但是设计复杂繁琐，适合于RISC结构。

微程序控制器相对硬布线控制器速度慢，但设计规整，易于修改，适合CISC系统

执行流程

硬布线控制器时序信号采用：

主状态周期 – 节拍电位（CPU周期） – 节拍脉冲（时钟周期）三级体制