《计算机组成原理》第 10 章 - 控制单元的设计

// 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");
        }
    }
}

// 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
}

// 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];
    }
}

// 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;
        }
    }
}

// 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;
    }
}