CPU控制单元深度解析：组成结构与核心考点

控制单元（CU）是CPU的核心部件，负责指令执行过程的协调与控制。其组成结构及考点如下：

一、控制单元核心组成

1. 指令寄存器（IR）
   存储当前正在执行的指令，其输出包含操作码和地址码
   $$ \text{IR} = [\text{操作码}|\text{地址码}] $$

2. 程序计数器（PC）
   存储下一条待执行指令的地址，实现自动递增：
   $ PC \leftarrow PC + \Delta $（$\Delta$为指令长度）

3. 时序发生器
   产生时钟周期信号，控制指令执行节奏：

   • 取指周期 $T_1$
   • 执行周期 $T_2$
   • 中断周期 $T_3$

4. 控制信号发生器
   根据操作码产生微操作控制信号：

   操作码解码 → 微操作序列 → 控制信号矩阵
   

二、两大实现方式（核心考点）

1. 硬布线控制器

   • 原理：组合逻辑电路直接生成控制信号
   • 特点：
     • 速度快（信号并行产生）
     • 电路复杂，不易修改
     • 成本公式：$C \propto n^2$（n为指令数）

2. 微程序控制器

   • 原理：微指令序列存储于CM（控制存储器）
   • 执行流程：

     graph LR
     IR[指令操作码] --> MA[微地址形成]
     MA --> CM[控制存储器]
     CM --> MIR[微指令寄存器]
     MIR --> CS[控制信号]
     

   • 特点：
     • 灵活性高（通过修改微程序升级）
     • 速度较慢（需多次访存）
     • 成本公式：$C \propto n$

三、高频考点梳理

1. 时序控制题型

   • 给定指令周期图，填写控制信号状态
   • 例：MOV指令在$T_2$周期需激活哪些信号？

2. 控制器对比分析

   • 硬布线 vs 微程序：速度、成本、灵活性对比
   • 应用题：为RISC/CISC选择合适控制器类型

3. 微程序设计

   • 微指令格式设计（水平型/垂直型）
   • 微地址形成方式（计数器法、断定法）

4. 中断处理流程

   • 中断周期$T_3$的控制信号序列
   • 现场保护的关键操作：
     • PC压栈
     • PSW保存

典型真题示例：
某CPU采用三级时序系统，指令周期包含4个机器周期，每个机器周期含3个时钟周期。执行ADD指令需占用2个机器周期，求最小执行时间（时钟频率200MHz）。
解：
$$ t = \frac{(2 \times 3)}{200 \times 10^6} = 30\text{ns} $$

四、重点记忆框架

控制单元
├─ 核心组件：IR/PC/时序发生器/信号矩阵
├─ 实现方式
│  ├─ 硬布线：组合逻辑电路
│  └─ 微程序：控制存储器+微指令
└─ 考点维度
   ├─ 时序分析
   ├─ 信号生成原理
   └─ 中断处理机制

掌握控制单元的结构本质是理解指令执行流水线的关键，尤其需关注时序信号与微操作的对应关系，这是408考试的核心命题方向。