第四章 第6講 微程序控制器

第六講微程序控制器2/2/20231復(fù)習(xí)內(nèi)容：1、指令周期2、指令的執(zhí)行步驟（1）非訪內(nèi)指令（2）直接訪內(nèi)指令（3）間接訪內(nèi)指令（4）程序控制類指令復(fù)習(xí)內(nèi)容2/2/20232本講主要內(nèi)容：

1、微程序控制器的基本組成、工作原理

2、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1、掌握微程序控制器的基本組成，了解微程序控制器的工作原理。

2、了解微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序控制器2/2/20233微程序控制器同組合邏輯控制器相比較，具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中逐漸取代了早期采用的組合邏輯控制器，并已被廣泛地應(yīng)用。微程序控制器的基本思想：微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件的一門(mén)技術(shù)。即仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號(hào)編成所謂的“微指令”，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。微程序控制器的基本組成、工作原理2/2/20234一、微命令和微操作控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常把這種控制命令叫做微命令，而執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作，叫做微操作。執(zhí)行部件通過(guò)反饋線向控制部件反映操作情況，以便使控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的“狀態(tài)”來(lái)下達(dá)新的微命令，這叫做“狀態(tài)測(cè)試”。微操作在執(zhí)行部件中是最基本的操作。微操作可分為兩種：1、相容性的微操作

指在同時(shí)或同一個(gè)CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作2、相斥性的微操作

指不能在同時(shí)或不能在同一個(gè)CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作2/2/20235

二、微指令和微程序1、微指令在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。2、微程序一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列通常叫做微程序。2/2/20236三、微程序控制器組成指令寄存器IROP狀態(tài)條件…地址轉(zhuǎn)移邏輯微地址寄存器地址譯碼控制存儲(chǔ)器ROM微命令信號(hào)…P字段控制字段2/2/202371、控制存儲(chǔ)器用來(lái)存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，它是一種只讀型存儲(chǔ)器。工作過(guò)程是：讀出一條微指令，則執(zhí)行這條微指令；接著讀出下一條微指令，又執(zhí)行這一條微指令……。控制存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)就是微指令字的長(zhǎng)度，其存儲(chǔ)容量取決于微程序的數(shù)量。2、微指令寄存器用來(lái)存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存器和微命令寄存器兩個(gè)部分。其中微地址寄存器決定將要訪問(wèn)的下一條微指令的地址，微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測(cè)試字段的信息。

2/2/202383、地址轉(zhuǎn)移邏輯在一般情況下，微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接給出下一條微指令的地址（簡(jiǎn)稱微地址），這個(gè)微地址存放在微地址寄存器中。如微程序不出現(xiàn)分支，則下一條微指令地址就直接由微地址寄存器給出。當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，地址轉(zhuǎn)移邏輯就承擔(dān)自動(dòng)完成修改微地址的任務(wù)。四、CPU周期與微指令周期的關(guān)系在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于讀出微指令的時(shí)間加上執(zhí)行該條微指令的時(shí)間。一般來(lái)講，一個(gè)微指令周期時(shí)間設(shè)計(jì)得恰好和CPU周期時(shí)間相等。2/2/20239五、機(jī)器指令與微指令的關(guān)系1、一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由若干條微指令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完成的操作劃分成若干條微指令來(lái)完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。2、從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，前者與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。與此相關(guān)，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備。

3、每一個(gè)CPU周期就對(duì)應(yīng)一條微指令。2/2/202310

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何確定微指令的結(jié)構(gòu)。一、微指令編碼1、直接表示法

特點(diǎn)是：操作控制宇段中的每一位代表一個(gè)微命令。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，其輸出直接用于控制。缺點(diǎn)是：微指令字較長(zhǎng)，因而使控制存儲(chǔ)器容量較大。2、編碼表示法編碼表示法是把一組相斥性的微命令信號(hào)組成一個(gè)小組（即一個(gè)字段），然后通過(guò)小組（字段）譯碼器對(duì)每一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是可以用較小的二進(jìn)制信息位表示較多的微命令信號(hào)，可使微指令字大大縮短。缺點(diǎn)是微程序的執(zhí)行速度稍稍減慢。2/2/2023113、混合表示法

這種方法是把直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜合考慮微指令字長(zhǎng)、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方面的要求。二、微地址形成的方法

產(chǎn)生后繼地址的方法有兩種：

1、計(jì)數(shù)器法方式

這種方法同用程序計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似。計(jì)數(shù)器方式的基本特點(diǎn)是：微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是多路并行轉(zhuǎn)移功能較弱，速度較慢，靈活性較差。

2、多路轉(zhuǎn)移方式

一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力稱為多路轉(zhuǎn)移。多路轉(zhuǎn)移方式的特點(diǎn)是：能以較短的順序控制字段配合，實(shí)現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)移，靈活性好，速度較快，但轉(zhuǎn)移地址邏輯需要用組合邏輯方法設(shè)計(jì)。2/2/202312三、微指令格式1、水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)