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10.1 组合逻辑设计
组合逻辑控制单元通过硬连线逻辑实现指令操作控制，适用于简单指令系统。其核心是根据当前指令、状态信号和时序信号生成固定的控制信号序列。
10.1.1 组合逻辑控制单元框图
组合逻辑控制单元结构框图
10.1.2 微操作的节拍安排
微操作需按 CPU 周期（机器周期）和节拍电位 / 脉冲进行时序划分。假设采用四节拍模型（T0-T3），示例如下：
// 假设CPU周期为4个节拍，每个节拍处理不同微操作
public class TimingUnit {
private int currentCycle; // 当前机器周期
private int currentBeat; // 当前节拍（0-3）
// 生成节拍信号
public void generateBeatSignal() {
switch (currentBeat) {
case 0: // 节拍1：取指令操作码
System.out.println("T0: 从IR中提取操作码");
break;
case 1: // 节拍2：计算操作数地址
System.out.println("T1: 地址计算逻辑工作");
break;
case 2: // 节拍3：执行数据读写
System.out.println("T2: 存储器/IO读写控制");
break;
case 3: // 节拍4：结果回写与状态更新
System.out.println("T3: 运算结果写入寄存器");
break;
default:
throw new IllegalArgumentException("无效节拍");
}
}
}
10.1.3 组合逻辑设计步骤
- 确定指令集微操作：列出每条指令的微操作序列（如 ADD 指令需取指、取源操作数、运算、存结果）。
- 分配时序节拍：为每个微操作指定执行的节拍（如取指固定在 T0-T1）。
- 逻辑表达式推导：根据微操作与指令码 / 状态 / 节拍的关系，写出控制信号逻辑式（如
ALU_op = (IR_op==ADD) && (T==T2)）。 - 电路实现：用门电路、编码器等搭建硬连线逻辑。
10.2 微程序设计
微程序控制将控制逻辑存储为微指令序列，通过读取微程序实现动态控制，灵活性远超组合逻辑。
10.2.1 微程序设计思想的产生
由英国剑桥大学 M.V.Wilkes 提出，核心思想：将每条机器指令拆解为若干微指令，存储在控制存储器中，通过微指令计数器（μPC）顺序执行。
10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理
微程序控制单元工作流程
10.2.3 微指令的编码方式
1. 直接编码（水平型）
微命令字段每位独立表示一个控制信号，无需译码，执行速度快但编码长度长。
// 直接编码示例：32位微指令，每位对应一个控制信号
public class DirectEncodingMicroinstruction {
private boolean regWrite; // 寄存器写（第0位）
private boolean memRead; // 存储器读（第1位）
private boolean aluAdd; // ALU加法（第2位）
// ... 其他30个控制信号
}
2. 字段间接编码
字段内部分位组合表示微命令，需通过字段译码器解析。
// 字段间接编码示例：3位ALU操作字段（000-111对应8种操作）
public class IndirectEncodingMicroinstruction {
private int aluOpCode; // 3位字段，0-7表示加法/减法/逻辑与等
private boolean memOp; // 1位存储器操作（读/写）
public String getAluOperation() {
String[] ops = {"加法", "减法", "逻辑与", "逻辑或", "移位", "比较", "取反", "直通"};
return ops[aluOpCode];
}
}
10.2.4 微指令序列地址的形成
- 顺序执行：
μPC = μPC + 1 - 条件转移：根据状态标志（如 ZF=1 时跳转）
// 条件转移逻辑示例
public class MicroPC {
private int currentAddress;
private boolean zf; // 零标志
public int nextAddress(boolean isConditional, int targetAddress) {
if (isConditional && zf) { // 条件满足时跳转
return targetAddress;
} else { // 顺序执行或无条件跳转
return currentAddress + 1;
}
}
}
10.2.5 微指令格式
典型格式：
| 微命令字段 | 判别测试字段 | 下地址字段 |
|---|---|---|
| 控制信号输出 | 条件判断依据 | 下条微指令地址 |
10.2.6 静态微程序设计和动态微程序设计
- 静态：微程序固化在 ROM 中，不可修改（如早期 CPU）。
- 动态：微程序存储在可写存储器（如 EEPROM），支持程序运行中修改（如微程序动态加载升级）。
10.2.7 毫微程序设计（分级微程序）
引入两级微程序：
- 垂直型微指令：用于控制基本操作（如寄存器传输）。
- 水平型微指令：用于解析垂直微指令，生成具体控制信号。
10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制
| 类型 | 特点 |
|---|---|
| 串行 | 微指令按顺序执行，下一条微指令需等待前一条完成（控制简单，速度慢）。 |
| 并行 | 允许同时执行多个微操作（如同时读写寄存器和启动 ALU），需复杂时序控制。 |
10.2.9 微程序设计举例：ADD 指令执行流程
ADD 指令微程序流程图
微指令代码示例（简化版）
// 控制存储器模拟（存储微指令序列）
public class ControlMemory {
private Microinstruction[] cmemory;
public ControlMemory() {
// 初始化ADD指令微程序（假设地址0-3）
cmemory = new Microinstruction[4];
// 0号微指令：取指令（PC→MAR，读存储器）
cmemory[0] = new Microinstruction(
"regWrite=0, memRead=1, aluOp=0", // 控制信号
0, // 无测试条件，顺序执行
1 // 下地址1
);
// 1号微指令：译码（IR→操作码寄存器）
cmemory[1] = new Microinstruction(
"regWrite=1, memRead=0, aluOp=0",
"opCodeTest", // 测试操作码
2 // 操作码为ADD时跳转至2，否则跳转至其他地址
);
// 2号微指令：取源操作数（R1→ALU）
cmemory[2] = new Microinstruction(
"regRead=R1, aluOp=LOAD_A",
0,
3
);
// 3号微指令：执行加法（ALU=ADD，结果→R2）
cmemory[3] = new Microinstruction(
"aluOp=ADD, regWrite=R2",
0,
0 // 返回取指周期
);
}
}
// 微指令类
class Microinstruction {
String controlSignals; // 控制信号字段
String testCondition; // 判别测试字段
int nextAddress; // 下地址字段
public Microinstruction(String ctrl, String test, int nextAddr) {
this.controlSignals = ctrl;
this.testCondition = test;
this.nextAddress = nextAddr;
}
}
📌 总结对比
| 设计方法 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 组合逻辑控制 | 速度快、无需存储 | 灵活性差、修改困难 | 简单指令集、高性能 CPU |
| 微程序控制 | 可编程性强、易维护 | 存在取微指令开销 | 复杂指令集、可扩展架构 |
📚 扩展资源
- 推荐教材：《计算机组成原理（第 2 版）》唐朔飞
- 仿真工具：Logisim（组合逻辑设计）、MARS MIPS Simulator（微程序模拟）
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