计算机组成原理（9）----硬布线控制器

控制单元CU若想发出对应的控制信号，则需要以下信息：指令操作码，目前的机器周期，节拍信号，机器状态条件，根据这些信息，CU就能确定在这个节拍下应该发出哪些"微命令"，也就是这个节拍下应该进行哪些"微操作"。

对于指令操作数，控制单元CU通过操作码译码器输出的哪一个信号有效，判断当前执行的指令是哪一条指令。

对于目前机器周期，CPU可以根据当前触发器的状态判断该指令目前处于哪一个机器周期

对于节拍信号，节拍发生器接收到时钟部件发来的脉冲信号后，会选择某一根输出线导通，控制单元就可以通过导通的信号判断当前属于机器周期的第几个节拍

对于机器状态条件，机器状态条件也称为标志，可能来自运算器的PSW、ACC的符号位等；也可能来自I/O设备、主存。例如PSW的是否溢出，是正是负等信息，可能会影响到微操作序列的执行流。

CU的每个输出的控制信号对应一个微命令，也就是对应一个微操作。如，要让C1对应微操作为(PC)--->MAR，则将其接到 PCout、MARin即可。

若所有指令的取指周期、T0节拍下一定要完成(PC)--->MAR,则可知C1=FE*T0，那么我们就可以把以下的电路设计在CU控制单元中。若FE=1,T0=1，C1就处于高电平，那么CU就会发出(PC)-->MAR这一"微操作"对应的"微命令"。

所以如果能够得出某个“微命令”对应的逻辑表达式，那么就能设计出这一“微命令”对应的电路。

但对于某些"微操作",在不同的指令周期都会被使用到，例如M(MAR)--->MDR，这类微操作对应的微命令的逻辑表达式又应该如何确定?

我们试着分析以下例子：

FE*T1：FE表示这是在取指周期，取指周期需要进行的微操作如下：

T0：(PC)--->MAR

T1:M(MAR)--->MDR

所以FE*T1表示：若处于取指阶段的T1节拍，那么就需要发出"M(MAR)--->MDR"对应的微命令。

EX*T1(ADD+LDA)：EX表示指令处于执行阶段，T1表示执行阶段的T1节拍，ADD表示加法

指令，LDA是取数指令（将数据从主存取到ACC寄存器中）。

所以这整条指令可以翻译为：

若此时处于加法指令的执行阶段，并且处于T1节拍，那么就需要发出"M(MAR)--->MDR"对应的微命令。或者，

若此时处于取数指令的执行阶段，并且处于T1节拍，那么就需要发出"M(MAR)--->MDR"对应的微命令。

看了上面的例子，进一步分析，如何通过微操作得到对应的电路？

设计步骤：

1.分析每个阶段的微操作序列(取值、间址、执行、中断四个阶段)。
2.选择CPU的控制方式，也就是采用定长机器周期还是不定长机器周期?每个机器周期安排几个节拍?
3.安排微操作时序，也就是哪些微操作可以在同一个节拍执行，哪些微操作先执行，哪些微操作后执行？
4.电路设计，确定每个微命令对应的逻辑表达式，并用电路实现。

对于步骤1，2：

假设采用同步控制方式(定长机器周期)一个机器周期内安排3个节拍。

对于各条指令，取值周期的微操作相同：

PC--->MAR

1--->R

M(MAR)--->MDR

MDR-->IR

OP(IR)--->ID(Instruction Decoder,指令译码器)

(PC)+1--->PC

由于一个机器周期有三个节拍，也就是说这些微操作需要在3个节拍内完成，那么某些微操作肯定需要并行完成。

对于各条指令，间址周期的微操作也相同：

Ad(IR)--->MAR

1--->R

M(MAR)--->MDR

MDR--->Ad(IR)

对于各条指令，执行周期的微操作各不相同：

对于CLA指令，就是将ACC中的数据清零：
0--->AC（很多教材中把ACC写为AC）

对于LDA X，这是一个取数指令，取出主存的数据放到ACC中。

Ad (IR)--->MAR,把地址码放到MAR中。

1--->R，控制信号设置为读信号

M(MAR)--->MDR，把主存相应地址的数据放到MDR中

MDR-->AC，把MDR的数据放到ACC中

对于JMP X，就是把该指令的地址码部分（X），放到PC中

Ad(IR)--->PC

对于BAN X，这是条件转移指令，当ACC为负时转移

A0*Ad(IR)+ $\overline{A0}\cdot (PC)$ --->PC

A0是ACC累加寄存器中的符号位，当ACC为负时，A0=1，所以这个指令可以翻译为：

当ACC中的值为负时，就会将指令的地址部分送到PC，当ACC中的值为正时，就会把(PC)-->PC，即不进行条件转移。

所以这里执行的微操作会根据ACC的状态而改变。