組成原理課件 - 微程序控制器

1、 6 6 4 4 微程序控制器微程序控制器微程序控制器的設計思想微程序控制器的設計思想微程序控制器：用一個存儲在微程序控制器：用一個存儲在ROMROM中的微程序產(chǎn)生微操作控制信號。中的微程序產(chǎn)生微操作控制信號。 把指令執(zhí)行中的每一個步驟所需要的所有控制信號編成微指令把指令執(zhí)行中的每一個步驟所需要的所有控制信號編成微指令（控制字）預先存放在控制存儲器（控制字）預先存放在控制存儲器（ROMROM）中，在指令的執(zhí)行過程）中，在指令的執(zhí)行過程中根據(jù)需要從控制存儲器中讀取控制信號值，并送到各個部件的控中根據(jù)需要從控制存儲器中讀取控制信號值，并送到各個部件的控制端。制端。 指令執(zhí)行的一步所需的所有控制信號

2、編成微指令，一條指令執(zhí)指令執(zhí)行的一步所需的所有控制信號編成微指令，一條指令執(zhí)行需要若干步，則需要若干條微指令，這樣由若干條微指令序列則行需要若干步，則需要若干條微指令，這樣由若干條微指令序列則構成一個微程序。構成一個微程序。一、微程序和微指令一、微程序和微指令 在微程序控制的計算機中，用來管理控制門的打開或關在微程序控制的計算機中，用來管理控制門的打開或關 閉的控閉的控 制命令（或控制信號）。它是控制信息傳送的控制命令（或控制信號）。它是控制信息傳送的控 制命令，它是控制信號序列的最小單位。控制字的每一制命令，它是控制信號序列的最小單位。控制字的每一 位就是一個微命令。它控制其它部件產(chǎn)生一個微

3、操作。位就是一個微命令。它控制其它部件產(chǎn)生一個微操作。1 1、微命令：、微命令： 2 2、微操作：、微操作：一個微命令所控制實現(xiàn)的操作過程。它是構成指令操作一個微命令所控制實現(xiàn)的操作過程。它是構成指令操作序列或其他處理過程的操作序列最基本的，不可再分解序列或其他處理過程的操作序列最基本的，不可再分解的操作。微命令是微操作的控制信號，而微操作微命令的操作。微命令是微操作的控制信號，而微操作微命令的操作過程。的操作過程。3 3、微指令：、微指令：是若干個微命令的組合。它可產(chǎn)生一組控制信號。一微是若干個微命令的組合。它可產(chǎn)生一組控制信號。一微指令包含操作控制部分和順序控制部分。微指令通常以指令包含操

4、作控制部分和順序控制部分。微指令通常以編碼字（控制字）的形式存放在控制存儲器中。編碼字（控制字）的形式存放在控制存儲器中。4 4、微周期：、微周期：取出一條微指令并執(zhí)行該微指令所需要的全部時間。取出一條微指令并執(zhí)行該微指令所需要的全部時間。5 5、微程序：、微程序：是一系列微指令的有序集合。若干條有序的微指令組是一系列微指令的有序集合。若干條有序的微指令組成一個微指令組，可以控制實現(xiàn)一條機器指令。每組成一個微指令組，可以控制實現(xiàn)一條機器指令。每組微指令就是一段微程序。所有的微指令組的總和就是微指令就是一段微程序。所有的微指令組的總和就是 整個計算機指令系統(tǒng)的微程序，它控制實現(xiàn)機器的整整個計算機

5、指令系統(tǒng)的微程序，它控制實現(xiàn)機器的整個指令系統(tǒng)的處理過程個指令系統(tǒng)的處理過程。 微操作碼微操作碼 微地址碼微地址碼6 6、微程序和程序的區(qū)別、微程序和程序的區(qū)別 微程序是由微指令構成的，用于描述機器指令。在設計計算機時，微程序是由微指令構成的，用于描述機器指令。在設計計算機時，將它預先編制好，存入將它預先編制好，存入ROMROM中，供用戶使用，通常微程序不允許用中，供用戶使用，通常微程序不允許用戶修改。戶修改。 程序是由機器指令構成的，是用戶或軟件設計人員編寫的，并存程序是由機器指令構成的，是用戶或軟件設計人員編寫的，并存于主存或外存中，允許修改。于主存或外存中，允許修改。7 7、指令操作與微

6、操作區(qū)別、指令操作與微操作區(qū)別 指令操作是存儲在主存中的指令所指定的操作，控制器根據(jù)操作指令操作是存儲在主存中的指令所指定的操作，控制器根據(jù)操作碼發(fā)出一系列控制信號，完成指令指定的操作。碼發(fā)出一系列控制信號，完成指令指定的操作。 微操作是存儲在控制存儲器中的微指令所指定的操作，控制器根微操作是存儲在控制存儲器中的微指令所指定的操作，控制器根據(jù)微指令發(fā)出一系列控制信號，完成微指令指定的操作。據(jù)微指令發(fā)出一系列控制信號，完成微指令指定的操作。8 8、微指令的格式、微指令的格式（1 1）微操作碼：）微操作碼：包含指令執(zhí)行的一個步驟中所包含的全部微命令的包含指令執(zhí)行的一個步驟中所包含的全部微命令的編碼

7、，即一條微指令所需的全部控制信號的編碼，編碼，即一條微指令所需的全部控制信號的編碼， 用來發(fā)出操作控制信號。用來發(fā)出操作控制信號。（2 2）微地址碼：）微地址碼：用來產(chǎn)生下一條微指令的地址，指出下一條微指用來產(chǎn)生下一條微指令的地址，指出下一條微指 令代碼在控制存儲器中的存儲位置。令代碼在控制存儲器中的存儲位置。 微操作碼 微地址狀態(tài)條件微操作信號微地址形成部件OP IRCMAR譯碼驅(qū)動控制存儲器二、微程序控制原理二、微程序控制原理（一）組成（一）組成1 1、控制存儲器（、控制存儲器（C C M M） 存放實現(xiàn)計算機指令系統(tǒng)的存放實現(xiàn)計算機指令系統(tǒng)的所有微程序，由所有微程序，由ROMROM實現(xiàn)。

8、控實現(xiàn)?？刂拼鎯ζ鞯淖珠L是微指令字的制存儲器的字長是微指令字的長度?？刂拼鎯ζ鞯娜萘咳Q長度?？刂拼鎯ζ鞯娜萘咳Q于指令的數(shù)量和每條指令的微于指令的數(shù)量和每條指令的微程序長度，也取決于微指令代程序長度，也取決于微指令代碼的利用率。碼的利用率。2 2、微指令寄存器（、微指令寄存器（CMIRCMIR）存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息。存放由控制存儲器讀出的一條微指令信息。3 3、微地址寄存器（、微地址寄存器（CMARCMAR）：）：存放將要訪問的下一條微指令的微地址。存放將要訪問的下一條微指令的微地址。4 4、微地址形成部件：、微地址形成部件： 能測試執(zhí)行中的狀態(tài)信息，修改微地址寄存器能測試執(zhí)

9、行中的狀態(tài)信息，修改微地址寄存器的內(nèi)容，以便按修改后的內(nèi)容去讀下一條指令。的內(nèi)容，以便按修改后的內(nèi)容去讀下一條指令。CMIR（二）工作原理（二）工作原理1、取指階段、取指階段（1）將取指微程序首地址置于）將取指微程序首地址置于CMAR中。中。（2）讀微指令。）讀微指令。（3）產(chǎn)生微操作命令。）產(chǎn)生微操作命令。（4）形成下一條微指令地址。）形成下一條微指令地址。（5）取下一條微指令。）取下一條微指令。重復（重復（1）（4）過程，直到該機）過程，直到該機 器指令送入器指令送入CIR為止。為止。2、執(zhí)行階段、執(zhí)行階段（1）加法執(zhí)行階段對應的微程序首地址的形成。）加法執(zhí)行階段對應的微程序首地址的形成。

10、（2）讀出微指令。）讀出微指令。（3）產(chǎn)生微操作命令。）產(chǎn)生微操作命令。（4）形成下一條微指令地址。）形成下一條微指令地址。重復（重復（1）（4）過程，直）過程，直 到下一機器指令送入到下一機器指令送入CIR為止。為止。 微程序的入口地址的形成微程序的入口地址的形成 是是譯碼器譯碼器根據(jù)指令的根據(jù)指令的操作碼操作碼產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。微程序控制器的特點微程序控制器的特點（1 1）具有規(guī)整性、可維護性和靈活性的優(yōu)點。具有規(guī)整性、可維護性和靈活性的優(yōu)點。（2 2）它是一種利用軟件方法來設計硬件的技術，可實現(xiàn)復雜指令）它是一種利用軟件方法來設計硬件的技術，可實現(xiàn)復雜指令 的操作控制。的操作控制。（3 3

11、）可以方便地增加和修改指令，甚至可實現(xiàn)其他計算機的指令。）可以方便地增加和修改指令，甚至可實現(xiàn)其他計算機的指令。三、微指令控制方式及微地址形成方式三、微指令控制方式及微地址形成方式1 1、設計微指令的目的、設計微指令的目的 縮短微指令長度，減小控制存儲器的容量，提高微程序的執(zhí)行縮短微指令長度，減小控制存儲器的容量，提高微程序的執(zhí)行速度，便于微指令的修改，便于微程序設計的靈活性。速度，便于微指令的修改，便于微程序設計的靈活性。2 2、微操作的相容性和相斥性、微操作的相容性和相斥性相容性：在同一微周期中可以同時出現(xiàn)的微命令。相容性：在同一微周期中可以同時出現(xiàn)的微命令。相斥性：在同一微周期中不能同時

12、出現(xiàn)的微命令。相斥性：在同一微周期中不能同時出現(xiàn)的微命令。在微指令編碼時要考慮控制信號間的相容性和相斥性，相斥的分在在微指令編碼時要考慮控制信號間的相容性和相斥性，相斥的分在同一組中，相容的分中不同組中。同一組中，相容的分中不同組中。R1R2R3ALU鎖存器A1：+2：-3：M鎖存器B4：R1A5： R2A6： R3A7： R1B8 ：R2B9： R3B10：BUSR111： BUSR212： BUSR3相斥的微命令相斥的微命令1、 + 、- 、M 2、R1A 、 R2A 、R3A3、R3B 、 R2B 、 R1B4、BUS R1 、 BUS R2 、 BUS R3 X X00：不操作01：+

13、10：-11：MX X00：不操作01：R1 A10：R2 A11：R3 AX X00：不操作01：R1 B10：R1 B11：R1 BX X00：不操作01：BUSR110： BUSR211： BUSR33 3、微指令控制方式（微指令編碼方式、微指令控制方式（微指令編碼方式 ） 微指令中的微操作碼字段如何形成微操作命令。微指令中的微操作碼字段如何形成微操作命令。（1 1）直接控制方式）直接控制方式 利用微操作碼各位的狀態(tài)，直接作為微操作命令信號去控制利用微操作碼各位的狀態(tài)，直接作為微操作命令信號去控制被控部件。被控部件。特點：特點： 簡單直觀，其輸出直接用于控制，產(chǎn)生控制信號的速度快。簡單直

14、觀，其輸出直接用于控制，產(chǎn)生控制信號的速度快。 微指令代碼長，微代碼的編碼效率低。微指令代碼長，微代碼的編碼效率低。 （2 2）編碼表示法）編碼表示法 顯示編碼：將微操作碼分成幾個字段，將相容性的微命令分在顯示編碼：將微操作碼分成幾個字段，將相容性的微命令分在 不同字段內(nèi)，將相斥性的微命令分在同一字段內(nèi)，不同字段內(nèi)，將相斥性的微命令分在同一字段內(nèi)， 然后將每一個字段經(jīng)譯碼后，發(fā)出各個微操作命令。然后將每一個字段經(jīng)譯碼后，發(fā)出各個微操作命令。 特點：微指令代碼短，編碼效率高，控制信號產(chǎn)生的速度慢。特點：微指令代碼短，編碼效率高，控制信號產(chǎn)生的速度慢。 隱式編碼：指各字段的譯碼信號不能直接用作微操

15、作命令，必須隱式編碼：指各字段的譯碼信號不能直接用作微操作命令，必須 由其化字段或某些特征觸發(fā)器的狀態(tài)作為補充解釋由其化字段或某些特征觸發(fā)器的狀態(tài)作為補充解釋或或 相互配合，才能使微操作命令有確切含義。相互配合，才能使微操作命令有確切含義。特點：可縮短指令字長、減少控制存儲器的容量。特點：可縮短指令字長、減少控制存儲器的容量。4 4、微地址的形成方法：形成下一條微指令地址的方法。、微地址的形成方法：形成下一條微指令地址的方法。（1 1）計數(shù)器方式）計數(shù)器方式 用微程序計數(shù)器用微程序計數(shù)器PCPC來產(chǎn)生下一條微指令的地址，將微程序來產(chǎn)生下一條微指令的地址，將微程序中的各條微指令按執(zhí)行順序安排在控

16、制存儲器中，后繼微地址由現(xiàn)中的各條微指令按執(zhí)行順序安排在控制存儲器中，后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個增量來得到。在非順序方式執(zhí)行微指令時，通過行微地址加上一個增量來得到。在非順序方式執(zhí)行微指令時，通過轉(zhuǎn)移方式，用一條轉(zhuǎn)移微指令轉(zhuǎn)向執(zhí)行指定后繼微地址的下一條微轉(zhuǎn)移方式，用一條轉(zhuǎn)移微指令轉(zhuǎn)向執(zhí)行指定后繼微地址的下一條微指令。在微指令格式中有標志位來區(qū)分轉(zhuǎn)移微指令和控制微指令。指令。在微指令格式中有標志位來區(qū)分轉(zhuǎn)移微指令和控制微指令。PCPC在一般情況下是加在一般情況下是加1 1 產(chǎn)生下一條微指令的地址的。除非遇到如產(chǎn)生下一條微指令的地址的。除非遇到如下情況下情況微程序結束，微程序結束， PCPC復

17、位到起始微地址。復位到起始微地址。當一個新的指令裝入當一個新的指令裝入IRIR時，時， PCPC中裝入該指令的執(zhí)行階段的起中裝入該指令的執(zhí)行階段的起始微地址。始微地址。在遇到轉(zhuǎn)移微指令并轉(zhuǎn)移條件滿足時，在遇到轉(zhuǎn)移微指令并轉(zhuǎn)移條件滿足時， PCPC裝入轉(zhuǎn)移目標的微裝入轉(zhuǎn)移目標的微地址。地址。 特點：實現(xiàn)方法直觀，順序控制字較短，微地址生成機構簡單。由特點：實現(xiàn)方法直觀，順序控制字較短，微地址生成機構簡單。由 于微指令發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率高，需要在微程序中增加許多轉(zhuǎn)移于微指令發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率高，需要在微程序中增加許多轉(zhuǎn)移 微指令，所以會降低執(zhí)行速度。微指令，所以會降低執(zhí)行速度。（2 2）斷定方式）斷定方式

18、 在每一條微指令中增加轉(zhuǎn)移功能，每條微指令既可以有控制在每一條微指令中增加轉(zhuǎn)移功能，每條微指令既可以有控制其其他部件的功能，又具有控制微程序流程的功能。在斷定方式中，引他部件的功能，又具有控制微程序流程的功能。在斷定方式中，引入兩個下地址字段，根據(jù)條件選擇其中一個下地址字段作為下一條入兩個下地址字段，根據(jù)條件選擇其中一個下地址字段作為下一條微指令的微地址。下一條微指令的微地址則包含在當前微指令的代微指令的微地址。下一條微指令的微地址則包含在當前微指令的代碼中，每一條微指令都具有分支的功能，不需專門的轉(zhuǎn)移微指令。碼中，每一條微指令都具有分支的功能，不需專門的轉(zhuǎn)移微指令。特點：無需特點：無需PCP

19、C來指定下一條微指令的微地址，靈活性好，執(zhí)行速來指定下一條微指令的微地址，靈活性好，執(zhí)行速 度快。但增加了微指令代碼的長度，而且不能有效的解決條度快。但增加了微指令代碼的長度，而且不能有效的解決條 件轉(zhuǎn)移以及多路分支問題。件轉(zhuǎn)移以及多路分支問題。（3 3）結合方式）結合方式 微指令的格式由微指令控制字段、條件選擇字段和轉(zhuǎn)移地址微指令的格式由微指令控制字段、條件選擇字段和轉(zhuǎn)移地址字字段三部分組成。段三部分組成?？刂谱侄萎a(chǎn)生微操作控制信號?？刂谱侄萎a(chǎn)生微操作控制信號。條件選擇字段用于規(guī)定條件轉(zhuǎn)移微指令要測試的外部條件。條件選擇字段用于規(guī)定條件轉(zhuǎn)移微指令要測試的外部條件。轉(zhuǎn)移地址字段當條件滿足時用它

20、作為下一個微指令的微地址，否轉(zhuǎn)移地址字段當條件滿足時用它作為下一個微指令的微地址，否則用則用 PCPC產(chǎn)生下一條微指令的微地址。產(chǎn)生下一條微指令的微地址。四、微指令的重疊四、微指令的重疊 在同一節(jié)拍內(nèi)，兩個微操作的被控對象互不干涉，則可將兩個在同一節(jié)拍內(nèi)，兩個微操作的被控對象互不干涉，則可將兩個微操作安排在同一時刻。微操作安排在同一時刻。五、微程序的設計步驟五、微程序的設計步驟1、根據(jù)微操作命令的執(zhí)行順序安排節(jié)拍，并由些編出微操作時間、根據(jù)微操作命令的執(zhí)行順序安排節(jié)拍，并由些編出微操作時間 表。表。2、根據(jù)微操作的數(shù)目，確定微指令的控制方式及微指令下一地址、根據(jù)微操作的數(shù)目，確定微指令的控制方

21、式及微指令下一地址 的形成方式，從而確定微指令的格式和字長。的形成方式，從而確定微指令的格式和字長。3、由微指令格式，編寫全部微指令的代碼。、由微指令格式，編寫全部微指令的代碼。例例1 1：在微程序控制器中，控制存儲器的容量是：在微程序控制器中，控制存儲器的容量是10241024字字3232位，微位，微指令有控制字、指令有控制字、BCFBCF和和BAFBAF三個字段，控制字為三個字段，控制字為1616位。求位。求BCFBCF和和BAFBAF字段各為多少位？（字段各為多少位？（BCFBCF轉(zhuǎn)移控制字段，用于測試指令是否轉(zhuǎn)移；轉(zhuǎn)移控制字段，用于測試指令是否轉(zhuǎn)移；BAFBAF轉(zhuǎn)移地址字段，用于產(chǎn)生下

22、一條微指令的地址。）轉(zhuǎn)移地址字段，用于產(chǎn)生下一條微指令的地址。）練習練習1 1：已知某機采用微程序控制方式，其控制存儲器容量為：已知某機采用微程序控制方式，其控制存儲器容量為512X48512X48位）。微指令字長為位）。微指令字長為4848位，微程序可在整個控制存儲器中位，微程序可在整個控制存儲器中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4 4個（直接控制）。求微指個（直接控制）。求微指令中的三個字段分別為多少位？令中的三個字段分別為多少位？微指令字段微指令字段BCFBAF練習練習2 2：某機采用微程序控制器設計，已知每一條機器指令的執(zhí)行：某機采用微程序控制器設計，已知每一條機器指令的執(zhí)行過程均可分解成過程均可分解成8 8條微指令組成的微程序，該機指令系統(tǒng)采用條微指令組成的微程序，該機指令系統(tǒng)采用6 6位定位定長操作碼格式，控制存儲器至少應能容納多少條微指