4.控制器的功能和工作原理

4.1.硬布线控制器（硬件控制）

1.一个时钟周期内可以并行的完成多个不会引发冲突的微操作

2.同一个微操作可能在不同阶段被使用到

3.选择定长的机器周期，如果实际所需的时钟周期较少，则安排在机器周期的末尾执行

4.硬布线控制器根据指令操作码、目前的机器周期、节拍信号、机器状态条件等确定当前节拍下应该发出哪些微命令：

①指令操作码：操作码译码器根据IR的n位操作码，选通操作码译码器连接CU导线（n位对应n条导线），从而判断当前指令将要执行什么操作

②目前的机器周期：根据四个触发器当前哪个值为1判断当前处于什么机器周期（取址、间址、执行、中断）

③目前的节拍：每个机器周期都有相等的节拍数，节拍发生器通过控制信号控制m+1条与CU相连的线使其能够判断当前处于该机器周期的第几个节拍

④机器状态条件：即各种执行单元的反馈信息，例如PSW、ACC标志位等

5.CU的每一条输出线对应一个微操作：微操的判断可以由多个输入端加上与/或/非门电路实现

6.硬布线控制器特点：

①指令越多，电路越复杂→适用于RISC（指令少）

②扩种指令困难（需要大改电路

③纯硬件控制→执行速度快

4.2.微程序控制器（软件控制）

4.2.1.微程序控制器的基本原理

1.微程序：与指令一一对应，由一系列微指令序列组成

微指令：由一系列微操作组成

微操作（微命令）：最小具体操作单位，可以并行完成且不违反顺序的微操作集合成一个微指令

2.微指令格式：由操作控制（操作码）和顺序控制（地址码）组成

3.控制存储器CM（Control Memory）：用于存放微程序（若干个微指令，按顺序存放），由ROM组成（非易事性、读取快），实现存储程序

CMAR（CM Address Register）：小PC，存放微指令的地址

地址译码：将CMDR中的地址转换为控制信号

CMDR（CM Data Register）：小IR，存放从CM中取出的微指令。由实现当前微指令的控制信号（操作码）和下一条微指令的地址（地址码）组成

微地址形成部件：根据CPU中IR的OP部分形成实现OP操作的微指令序列的首地址

顺序逻辑：控制微指令序列执行的顺序（当前应该执行哪一条微指令）

4.取值周期、间址周期、中断周期的微指令序列通常公用，仅需存储一份；执行周期各不相同，需要单独存储

4.2.2.微指令的设计

1.微指令的格式

2.微指令的编码方式

3.微指令的地址形成方式

4.微程序控制单元的设计

①第一个微指令从CM的#0出取址

②每个微指令的执行结束后，都需要进行一次把下一条微指令的地址（若是该微程序的最后一条微指令，则将下一个微程序的首个微指令的地址）放入CMAR的时钟周期

4.3.硬布线控制器和微程序控制器的比较

5.指令流水线

5.1.流水线的基本概念

5.1.1.指令流水的定义 1.一次重叠：总耗时 = 第 1 条指令的完整周期（3） + 剩余（n - 1）条指令每条两个周期

2.二次重叠：总耗时 = 第 1 条指令的完整周期（3） + 剩余（n - 1）条指令每条一个周期

5.1.2.流水线的表示方法

5.1.3.流水线的性能指标 1.吞吐率：吞吐率TP = 任务数n / 总用时T

总用时T = 第一条指令的完整用时 + （n - 1）个指令执行阶段耗时（理想情况，取一个时钟周期）= kt + (n - 1)t = (k + n - 1)t

装入时间：第一条指令从开始到结束的时间

排空时间：最后一条指令从开始到结束的时间

2.加速比

3.加速比

5.2.指令流水线的影响因素和分类

5.2.1.机器周期的设置

①划分为五个周期

IF（Instruction Fetch）取值：根据PC所指向的位置到Instruction Cache中找出当前要执行的指令，然后将该指令放到IF阶段的锁存器中

ID（Instruction Decode）译码：该阶段除了完成指令译码外，还会完成取操作数（从通用寄存器中取出），然后将操作数分别放入ID阶段的锁存器A、B中（或指令中包含立即数，则放入IMM）

EX（Execute）执行：对ID阶段的锁存器中储存的两个操作数进行计算，并将结果放入EX阶段的锁存器中

MEM（Memory）访存

WB（WriteBack）写回：可能将数据写回通用寄存器中

（IF和MEM阶段中的Cache分别是指令Cache和数据Cache，将Cache分为指令和数据两个独立的部分，可以使得IF和MEM的部件并行工作）

Cache不命中将会导致指令流水线断流（需要访存）

②每条指令被划分为五个机器周期，就算某条指令在实际执行过程中的某个周期不需要做任何事（例如不需要访存、不需要写回），但它仍然需要经历这个周期（无法跳过）

③每个机器周期设置为同一周期：每个机器周期所需的时间实际上可能并不相同（100、80、70、50、50），取最长的耗时为统一的机器周期

为了使得能够统一机器周期，需要在某个功能部件后添加数据缓冲器：例如图中ID阶段仅需要80ns，而统一的机器周期为100ns，即ID的功能部件执行完成后，还剩余20ns，则ID执行后需先将数据存放到ID部件后的数据缓冲器中，经过20ns后，再将数据从数据缓冲器中输出，此时就能控制ID的机器周期为100ns

5.2.2.影响流水线的因素

1.结构相关（资源冲突）：多条指令在同一时间争用统一资源

①IF和MEM阶段可能访问同一内存空间；ID和WB阶段可能访问同一通用寄存器

②解决方法：后访问/数据和指令分开存储

2.数据相关（数据冲突）：必须等待前一条指令完成才能执行后一条指令

①SUB、AND和OR指令在ADD指令将指令执行结果放回r1之前就从r1中取出数据，产生数据冲突

②XOR指令在ADD指令将指令执行结果放回r1后才取出数据，未发生数据冲突

③解决方法：硬件——添加气泡节拍延后产生数据冲突的指令 软件——在产生数据冲突的指令间插入若干条空指控（NOP，需要完整的五个机器周期）

数据旁路——把前一条指令的ALU计算结果作为后一条指令的ALU输入

编译优化——调整指令执行顺序（将不发生冲突的指令提前，发生冲突的指令延后）

3.控制相关（控制冲突）：遇到转移指令和其他改变PC值得指令产生断流

解决：①简单预测：永远猜正确/错误

动态预测：根据历史情况动态调整

②将正确和错误的控制流的指令都预先取出

③加快和提前形成条件码（类似加法器的思想——增加一条电路将结果输入到后面的加法器中）