自己設(shè)計(jì)出一個(gè)處理器是一件非常有意義的工作。那現(xiàn)在，我們離這個(gè)工作的目標(biāo)只差最后一點(diǎn)點(diǎn)了，而最后的這一步，又是非常關(guān)鍵的。那就是把我們之前所產(chǎn)生的這些控制信號(hào)集成起來(lái)，并且，讓這個(gè)處理器能夠自動(dòng)地工作。

現(xiàn)在我們已經(jīng)分析完了這個(gè)示例的指令系統(tǒng)中所有的指令，我們也知道了每一條指令應(yīng)該設(shè)置怎么樣的控制信號(hào)。

因此，我們現(xiàn)在就已經(jīng)完成了這5個(gè)設(shè)計(jì)步驟當(dāng)中的第4步。接下來(lái)我們要做的就是考慮如何集成這些控制信號(hào)，形成完整的控制邏輯。

那我們先把之前的數(shù)據(jù)通路中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來(lái)，就由一個(gè)方框來(lái)表示，那控制這個(gè)數(shù)據(jù)通路正常運(yùn)轉(zhuǎn)的控制信號(hào)，一共有這樣8個(gè)，那這些控制信號(hào)是怎么產(chǎn)生的呢？還是要從來(lái)自指令存儲(chǔ)器的指令編碼開(kāi)始說(shuō)起。之前，我們已經(jīng)從指令編碼當(dāng)中提取了若干的信號(hào)作為數(shù)據(jù)通路的輸入，但我們只要回憶一下指令格式就可以知道，還有兩個(gè)位域我們沒(méi)有提及，這就是opcode和function。而正是這兩個(gè)位域是用來(lái)表明指令執(zhí)行什么樣的操作。因此，我們正是需要用這兩個(gè)信號(hào)，來(lái)產(chǎn)生下面這些控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一部分功能的電路，就被稱為控制邏輯，也就是我們之前提到的控制器。要想知道控制邏輯是怎么實(shí)現(xiàn)的，我們還是先來(lái)看一個(gè)例子。

我們以add指令為例。當(dāng)我們?nèi)』匾粭l指令的編碼，如果是一條add指令，那它所需要執(zhí)行的操作就是這兩個(gè)，一是將兩個(gè)寄存器當(dāng)中的數(shù)相加，并保存到另一個(gè)寄存器當(dāng)中，然后就將PC+4更新到PC寄存器當(dāng)中。對(duì)于這條指令所需要的各個(gè)控制信號(hào)的值，我們之前也已經(jīng)詳細(xì)分析過(guò)。例如，這個(gè)RegDst信號(hào)應(yīng)該為1，而RegWr信號(hào)也應(yīng)該為1。又比如，這個(gè)MemtoReg信號(hào)應(yīng)該為0。

那我們把這些信號(hào)的值都摘出來(lái)，匯總成一張表格。在這張表中，就是執(zhí)行這條add指令時(shí)，各個(gè)控制信號(hào)的值。而add指令對(duì)應(yīng)的opcode域的值和function域的值，我們也列在上面。

那用同樣的方法，我們也可以列出減法指令所對(duì)應(yīng)的所有控制信號(hào)的值，以及其他指令各自對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)的值。這樣，我們就得到了一張完整的表格，描述了每條指令和每個(gè)控制信號(hào)之間的關(guān)系。

我們是用一列一列的方式得到了這張表格，然后我們換一個(gè)角度來(lái)看，如果按行來(lái)看，那我們就可以得到每一個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。我們就以第一行這個(gè)RegDst信號(hào)為例。

那從這一行可以看出，只有當(dāng)前指令是加法或者減法指令時(shí)，RegDst這個(gè)控制信號(hào)才需要為1，其他時(shí)候都為0就可以了。那我們可以把這個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式寫出來(lái)，如果我們有一根信號(hào)標(biāo)明現(xiàn)在是加法指令，即為add；另外有根信號(hào)標(biāo)明現(xiàn)在是減法指令，即為sub，那這個(gè)RegDst的控制信號(hào)就等于add和sub這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行或操作。那我們還得進(jìn)一步分析，add和sub這兩個(gè)信號(hào)應(yīng)該如何生成。

那我們先來(lái)看add指令的編碼。add指令是一條R型指令，根據(jù)R型指令的位域劃分，其opcode域都應(yīng)該為0，而function域則指明了在R型指令當(dāng)中細(xì)分的指令類別。因此，對(duì)于add指令來(lái)說(shuō)，其opcode域?yàn)槿?，而function域的第0位到第4位為0， 第5位為1。這樣一種信號(hào)的組合就代表了當(dāng)前指令是add指令。那我們就可以把a(bǔ)dd指令的邏輯表達(dá)式寫出來(lái)。

我們先用一根rtype信號(hào)來(lái)表示當(dāng)前是一個(gè)R型指令，然后我們來(lái)看后面的信號(hào)，就是function域的第5位，對(duì)于add指令來(lái)說(shuō)，這一位應(yīng)該為1，而function的第4位，一直到第0位，都應(yīng)該為0。所以我們將function 0到4，每一位都先取非，
然后與function域的第5位，以及這個(gè)rtype信號(hào)，一起進(jìn)行與操作，這樣就可以得到了add信號(hào)。我們用類似的方法也可以得到sub這個(gè)信號(hào)。

那么rtype這個(gè)信號(hào)又是如何產(chǎn)生呢？ 這非常地簡(jiǎn)單，因?yàn)镽型指令就是opcode全為0。所以，我們只需要把opcode中的每一位都先取非，然后進(jìn)行與操作，那么當(dāng)opcode全為0時(shí)，這個(gè)rtype信號(hào)就會(huì)為1。我們把這些邏輯表達(dá)式連起來(lái)，就可以得到了RegDst這個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。

有了這樣的邏輯表達(dá)式，我們就可以用與門和非門畫出產(chǎn)生這個(gè)控制信號(hào)的電路圖來(lái)。這樣，對(duì)于這一個(gè)控制信號(hào)來(lái)說(shuō)，它的控制邏輯就已經(jīng)是確定的了。

那我們用同樣的方法還可以得到其他控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。例如ALUSrc這個(gè)信號(hào)，我們通過(guò)查詢剛才的表格可以知道，它是在 ori指令、load指令和store指令，這三條指令執(zhí)行時(shí)是有效的。因此我們注意下面，我們只要用類似的方法得到ori、lw和sw，這三條指令對(duì)應(yīng)的邏輯表達(dá)式，我們就可以得到ALUSrc這個(gè)控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式了。

類似地，我們就可以得到所有控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。那我們注意到，在下面這個(gè)區(qū)域，所有的信號(hào)都是來(lái)自指定的編碼了。而且，在對(duì)一些信號(hào)進(jìn)行取非操作之后，這些邏輯表達(dá)式全都只有與操作。而上面這個(gè)區(qū)域的表達(dá)式都是在下面這些信號(hào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了或操作，從而產(chǎn)生了最終的控制信號(hào)。

因此，我們可以畫出這樣的一個(gè)控制器的示意圖。

我們把指令編碼中opcode的這六位和function的這六位連出來(lái)，先接到一組由與門構(gòu)成的邏輯電路中。那么這一個(gè)邏輯電路就實(shí)現(xiàn)了上一頁(yè)中下面這片區(qū)域的那些表達(dá)式，從而產(chǎn)生了一組中間信號(hào)，那么再將這些信號(hào)接入一組由或門組成的邏輯電路，這組邏輯電路就實(shí)現(xiàn)了上一頁(yè)中上半部分那些邏輯表達(dá)式。最后就可以得到了我們想要的所有的控制信號(hào)。

那么這些邏輯電路就是我們剛才所提到的控制邏輯，這樣我們就有了控制器的實(shí)現(xiàn)。 在這樣的電路實(shí)現(xiàn)下，我們固定地將取回指令的最高六位和最低六位，連接到控制邏輯中，那經(jīng)過(guò)了這些與門和或門之后，就會(huì)自動(dòng)地生成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。而這些控制信號(hào)的值，肯定符合我們剛才對(duì)每條指令分析的需求，這樣在指令執(zhí)行的過(guò)程中，就不需要任何智力因素的介入去分析當(dāng)前到底是什么指令，以及需要產(chǎn)生什么樣的控制信號(hào)。一切都是通過(guò)這樣的控制邏輯電路自動(dòng)生成的，這樣，處理器就能一條接一條地取回指令自動(dòng)地執(zhí)行下去。

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了控制信號(hào)的集成，并形成了完整的控制邏輯電路，這最后一步工作，我們也就已經(jīng)完成了。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)完成了一個(gè)處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟了。雖然這個(gè)處理器只是單周期的，而且也只支持6條指令，非常地簡(jiǎn)單。但是它確實(shí)是一個(gè)可以使用的處理器了。如果你有興趣，還可以繼續(xù)深入到物理設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，把它真正地制造出來(lái)。
編輯：hfy