考研笔记

硬布线控制器

上一节把 CU 写成了一个函数 操作码节拍标志控制信号组。

硬布线控制器就是把这个函数直接做成组合逻辑电路。 没有存储器、没有查表，每一根控制线都是一个布尔表达式的输出，由一片与门和或门算出来。

“硬布线”这个名字说的就是它的缺点：函数写死在导线里，改一条指令的行为就要改电路。而它的优点也在这里——没有中间环节，一级门延迟就出结果，是三种 CU 实现里最快的。

机制

一根控制线就是一个布尔表达式

以”读主存”这根控制信号 Read 为例。它在什么时候要有效？

  • 取指周期的第二拍——每条指令都要取
  • 间址周期的第二拍——只要进了间址周期就要取
  • 执行周期的某一拍——但只对访存类指令（LDA、ADD 直接寻址等），寄存器型指令不发

写成布尔表达式：

取指间址执行，仅访存类

其中：

  • 是5.2.1 那四个阶段标志触发器
  • 是节拍信号，来自时序系统
  • 是指令译码器的输出线，每条指令一根，只中一根

这三组信号就是 5.4.1 说的 CU 三类输入，条件转移那类信号还要再乘上标志位：

转移

整个 CU 就是几十上百个这样的表达式并排放着，共用同一组输入线。结构上它是一片”与-或”阵列——先用与门算出每个乘积项，再用或门把属于同一根输出线的乘积项加起来。这正是 PLA（可编程逻辑阵列）的形状，所以有些教材把硬布线控制器称作 PLA 控制器。

设计流程四步

这是教材给的标准流程，考试要求知道步骤名和每步在做什么，不要求真的走完一遍：

步骤做什么产物
1. 分析微操作序列把取指、间址、执行、中断四个阶段每条指令要做的微操作全部列出微操作清单
2. 选择控制方式同步 / 异步 / 联合节拍怎么划分
3. 安排微操作时序把微操作分配到具体节拍操作时间表
4. 电路设计对每根控制线写出最简表达式，画逻辑图与-或阵列

第 3 步的三条原则（和 5.3.3 的排拍三规则是同一件事的另一种表述）：

  1. 微操作的先后顺序不得随意改变——有数据依赖的必须保序
  2. 被控对象不同的微操作，尽量安排在同一节拍——这就是”白赚的并行”
  3. 占用时间较短的微操作尽量并入同一节拍，并允许它们在拍内有先后

疑问点：这部分书上讲得好浅；做过一道画表格判断互斥字段的题；王道视频里花了一小时画真值表、化简逻辑，做出一个 CU

两件事要分开：真值表那一小时属于本节（硬布线），互斥字段那道题属于下一节（微程序）。它们是 CU 的两种不同实现，不能混在一起记。

先说真值表。 视频里那一小时做的，就是上面第 3 步和第 4 步：

第 3 步产出一张「操作时间表」——行是节拍（、、…），列是指令（或指令类别），格子里填这一拍这条指令要发的控制信号。四个阶段各一张表。

第 4 步是把这张表”竖着读”：盯住某一根控制信号，把表里所有出现它的格子找出来，每个格子写成一个乘积项 阶段节拍指令，再全部或起来——就得到那根线的表达式。然后做布尔化简、画门电路。

这个过程之所以要一小时，是因为它是穷举，而不是因为它难。 它没有技巧可言：表有多少格就填多少格，控制信号有多少根就写多少个表达式。

所以”书上讲得浅”这个感觉是准确的，但结论要反过来——浅得有道理。 408 从不要求完整设计一个 CU，它考的是这条流程上的三个可切片的点：

考什么怎么问难度
读时间表给一张操作时间表，问某拍发哪些信号 / 某信号在哪些拍有效低
写单根表达式给微操作清单，写出某个控制信号的逻辑表达式中
数节拍某条指令的执行周期最少几拍中，靠排拍三规则

完整走一遍设计流程的价值不在考试，在于它让”控制信号是被算出来的”这件事变得具体——看过一次就够了，不必再看第二次。

再说互斥字段那道题。 它考的是微程序控制器的字段直接编码：把不可能同时有效的微命令编在同一个字段里，用编码而不是”一位一个信号”来省空间。那道题之所以”挺妙”，是因为它把”互斥”这个逻辑关系变成了一个可数的量——能编进同一字段的信号越多，控制存储器越省。 完整讨论在 5.4.3。

两道题分属两节，这本身就是最该记住的一点：真值表是硬布线的工作方式，互斥字段是微程序的工作方式。硬布线里根本没有”字段”这个概念——它的每根控制线都是独立算出来的，不存在把几根线编码到一起的问题。

三种控制方式

第 2 步”选择控制方式”给出的三个选项：

方式怎么定时特点
同步控制统一的时钟节拍，所有操作按固定拍数控制简单；按最慢的操作定拍长，有浪费
异步控制应答方式：做完了发回答信号才进行下一步无浪费；控制线路复杂
联合控制大部分同步，个别慢操作（如访存）用异步等待实际机器普遍采用

“按最慢的定”这个取舍，在本章第三次出现——5.2.1 机器周期按访存时间定、5.2.3 单周期按最慢指令定、这里同步控制按最慢操作定。三处是同一个道理：要整齐就得让快的等慢的。 第四次出现在 5.6.2，流水段时间按最慢段取。

同步控制下要延长时间的两种手段：延长节拍（把一个节拍拉长）或插入等待周期（多给几拍），题目里访存慢就用后者。

优缺点与适用场合

硬布线
优点速度快——一级组合逻辑延迟，不访问任何存储器
缺点难设计、难修改——指令一多，与-或阵列规模爆炸；改指令要改电路
规模与指令条数 × 节拍数成正比
适合指令少、格式规整的机器 → RISC

“指令少而规整”是硬布线可行的前提，不是巧合。 4.4.2 说 RISC 指令数量少、格式统一、寻址方式少——这三条正好把与-或阵列的规模压了下来，硬布线才做得出来。反过来，CISC 上百条指令、十几种寻址方式，硬布线的阵列会大到无法设计，只能用微程序查表。

这就是 4.4.3 那条”因果强度不对称”的硬件依据：RISC → 硬布线是有理由的（规模可控），CISC → 微程序只是没有更好的选择。

边界

边界辨析：硬布线的「快」快在哪

快在不访问存储器。微程序控制器每发一组控制信号都要读一次控制存储器 CM，而 CM 再快也是存储器；硬布线是纯组合逻辑，输入稳定后一级门延迟就出结果。

代价是灵活性为零：修改指令 = 修改电路 = 重新流片。

边界辨析：硬布线没有「字段」

硬布线控制器的每根控制线独立算出，不存在把多根信号编码到一个字段的做法。

“互斥字段""字段直接编码""水平型/垂直型”全部属于微程序控制器（5.4.3），在硬布线里没有对应物。这是两节之间最常见的串台。

关联对照：同步 / 异步 / 联合控制

  • 同步：统一节拍，简单但浪费
  • 异步：应答握手，无浪费但复杂
  • 联合：主体同步 + 慢操作异步，实际采用

同一组概念在 6.2.2 总线定时再出现一次，那里讨论的是总线上的主从设备，判据完全相同。

对照速查

符号含义来自
阶段标志触发器5.2.1
节拍信号时序系统
指令译码器输出线IR 的操作码
状态标志PSW
说法判断
硬布线控制器速度快于微程序控制器✅ 不访问存储器
硬布线控制器易于修改和扩展❌ 恰恰相反
硬布线控制器适合 RISC✅ 指令少而规整，阵列规模可控
硬布线控制器中有控制存储器❌ 没有，那是微程序控制器
硬布线控制器需要节拍信号✅ 三类输入之一
同步控制方式的节拍按最慢操作定✅ 这是它浪费的来源

考点

  • 写某控制信号的逻辑表达式：形如 信号阶段节拍指令条件。别漏掉”仅某类指令才发”的那个乘积因子。
  • 读操作时间表：给表问某拍发哪些信号，或某信号在哪些拍有效。
  • 硬布线 vs 微程序对比：速度、灵活性、规模、适用机型四项。
  • 三种控制方式的辨析：同步简单浪费、异步复杂无浪费、联合折中。
  • 不要把”互斥字段”记到本节：那是微程序的内容。

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