指令週期(提取、間接、執行、中斷)可分解為一系列微操作:暫存器間的一次傳輸、一次 ALU 運算、一次記憶體讀寫。每個微操作在一個時脈週期(或子週期)內完成。

提取週期的微操作

分組規則:(1) 事件順序不能亂(位址要先進 MAR 才能讀);(2) 同一時間不能衝突(不能同時讀寫同一暫存器);(3) 每個微操作只占一個簡單動作。

執行週期

每種 opcode 有自己的微操作序列。例如 ADD R1, X(R1 \(\leftarrow\) R1 + M[X]):

RV32I 的 add rd,rs1,rs2 在單週期實作中即「讀 rs1/rs2 → ALU 相加 → 寫 rd」一氣呵成;多週期實作則類似上表分拍進行。

控制單元的功能

• 定序(sequencing):決定下一步執行哪一組微操作(提取?執行哪條指令的第幾拍?);

• 執行(execution):發出控制訊號讓該組微操作發生。

輸入:時脈、IR(opcode 決定做什麼)、旗標(條件分支結果)、外部控制匯流排訊號(中斷請求等)。 輸出:CPU 內部控制訊號(暫存器間傳輸門、ALU 功能選擇)、對控制匯流排的訊號(記憶體讀/寫、中斷確認)。

硬佈線實現

控制單元 = 組合邏輯:輸入(解碼後的 opcode、時序計數器、旗標)直接以邏輯閘網路產生每個控制訊號。

\[C_i = f(\text{opcode 解碼線},\ T_k,\ \text{旗標})\]

例如某訊號 \(C_5 = T_2\cdot(\mathrm{LW}+\mathrm{SW}) + T_3\cdot\mathrm{ADD}\cdots\)。

優點:快(純組合延遲)、面積可最佳化。缺點:設計複雜、改指令集要重新設計電路。RISC 指令集簡單規律,幾乎全部採硬佈線——RV32I 的控制器不過幾十行 Verilog(第 23 章)。

微程式控制

核心思想

Wilkes(1951)的洞見:控制訊號的產生本身就像「執行程式」。把每個時拍要發出的控制訊號組合寫成一個控制字(微指令),存入控制記憶體;控制單元變成一部微型計算機:

每個機器指令對應一段微常式:提取微常式共用;opcode 經映射得到該指令微常式的入口;微指令逐拍發出訊號,結尾跳回提取。

水平 vs. 垂直微指令

• 水平微指令:每個控制訊號占一位——寬(可能上百位),完全平行,無解碼延遲;

• 垂直微指令:訊號編碼壓縮——窄,省控制記憶體,但需解碼且犧牲部分平行性。

評價與歷史地位

優點:設計系統化、易改易擴充(改微碼即改指令集)、同一硬體可模擬多種指令集;CISC 時代(IBM S/360 家族、VAX)的基石——同一結構、不同價位的機型,就是以不同速度的控制記憶體+微碼實現的。缺點:比硬佈線慢(每拍多一次控制記憶體讀取)。

現代處理器的折衷:常用簡單指令走硬佈線快速路徑,罕用複雜指令(x86 的字串操作、微碼修補)落入微碼 ROM——兩種技術共存至今。微碼還帶來可修補性:CPU 出廠後仍能以微碼更新修正錯誤。

本章重點回顧

複習問題

1. 寫出提取週期的微操作序列,並說明分組的三條規則。

2. 為 RV32I 的 lw rd, imm(rs1) 寫出多週期微操作序列(IF/ID/EX/MEM/WB 五拍)。

3. 硬佈線與微程式控制的取捨為何?為什麼 RISC 幾乎都用硬佈線?

4. 水平與垂直微指令的差異?

5. 微碼如何支撐「同一結構、多種機型」的商業模式?現代 x86 為何仍保留微碼?