5．4．4 控制器的设计
CPU 的控制器的设计其实就是实现指令周期的控制，即产生各个指令周期微操作所需的控制信号。下面确定出每个阶段微操作的状态。
（1）取指阶段微操作确定
由上述指令微操作分析，所有指令的第一步都是取指，CPU 通过执行如下的微操作序列完成这个任务。
①将PC 的地址复制到MAR 中，由地址寄存器MAR 驱动并送到CPU 的地址引脚A 0，A 1，…，A 5上，然后把地址送到存储器。确定第一状态F1为：
F1:MAR←PC
②CPU 发出READ 信号，该信号从CPU 输出给存储器，通知存储器从指定的地址取出数据并发送到数据总线上。由于数据总线与CPU 的D0，D1，…，D7引脚相连，CPU 的D0，D1，…，D7引脚与MDR 相连，因此从存储器取得的数据会送到MDR 中。确定第二个状态F2为：
F2:MDR←M,PC←PC＋1
F2的两个微操作可以同时进行，是因为两个微操作的部件一个是在存储器，另一个是在PC。另外，之所以在这一步更改PC 的值，是因为PC 保存选取指令的地址，那么PC 在再次执行F1之前就应该再改变。如果是顺序执行，PC的值只需要递增即可，实现PC递增有两种方法：一是在执行子周期递增，二是在取指子周期递增。在本例中，我们选择后一种方案，因此更容易实现。即将PC递增放到F2这一步。
③然后将数据寄存器MDR 送到指令寄存器IR 中。将IR 的高2位即操作码进行译码；IR 的低6位复制到地址寄存器MAR 中准备取操作数。确定第三个状态F3为
F3:IR←MDR,MAR←IR[5,4,…,0]
④当IR 的高2位进行译码后，必须判断所取的是哪种指令，从而可以转向正确的执行子周期。对于本例中的简单CPU 来说有四条指令，因此有4个对应的执行子周期，根据操作码00、01、10、11转向对应的执行子周期，如图5．5所示。
图5．5 F3执行子周期
（2）执行阶段微操作状态确定
ADD 指令：
为了从存储器中取出操作数，在F3阶段，需要取的操作数的地址已经送到地址寄存器MAR，因此到ADD 指令的执行子周期，CPU 只需要读取存储器输出的数据即可。因此确定ADD 指令的第一个状态A1是：
A1:MDR←M
接着将MDR 的内容与AC的内容相加，因此ADD 指令的第二个状态A2是：
A2:AC←AC＋MDR
STORE指令：
该条指令是将AC的内容存储到存储器中，同样，在F3阶段，需要存储的地址已经送到地址寄存器MAR，因此在STORE指令的执行子周期，CPU 需要将AC 的内容存入存储器中，那么需要先将AC的值送到MDR 中，然后将MDR 的内容送到存储器中，因此STORE指令的两个状态S1和S2是：
S1:MDR←AC
S2:M←MDR
LOAD 指令：
该条指令正好与STORE 指令相反，是将存储器中的内容装载到AC 中。同样，在F3阶段，需要提取存储器中的数据地址已经送到MAR 中，因此在LOAD 指令的执行子周期中，需要将存储器中的数据送到MDR 中，并将MDR 中的内容送到AC中。因此LOAD 指令的两个状态L1和L2是：
L1:MDR←M
L2:AC←MDR
JUMP指令：
该条指令是指CPU 必须跳转到目标地址开始执行，那可以通过把目标地址复制到程序计数器PC中实现。由于F3已经把地址存储到数据寄存器的MDR 中，因此只需要将这个值复制到PC中，因此JUMP指令的状态J1是：
J1:PC←MDR
当然，由于目标地址在F3阶段已经复制到MAR 中，因此也可以使用PC←MAR。两种方法都是可行的。