計算機組成原理控制器微程序

計算機組成原理控制器微程序第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微命令：構成控制信號序列的最小單位。微操作：由微命令控制實現的最基本操作。微指令：若干個微命令的組合。微周期：指從控制存儲器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應的微操作所需的時間。微程序：一系列微指令的有序集合?？刂拼鎯ζ鳎捍娣盼⒊绦虻闹蛔x存儲器。微程序控制器的基本概念第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微程序控制的基本思想微程序事先存放在控制存儲器(CM)中，執(zhí)行機器指令時再取出。1.若干微命令編制成一條微指令，控制實現一步操作；2.若干條微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令；CPU的構成引入了程序技術，使設計規(guī)整；引入了存儲邏輯，使功能易于擴展。結論：執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲器中的微程序。第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微程序控制器原理微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR1.主要部件（1）控制存儲器CM功能：存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲器。微程序控制器原理第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（2）微指令寄存器μIR功能：存放現行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。(微操作控制字段)(順序控制字段)微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微程序控制器原理第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（3）微地址形成電路功能：提供兩類微地址。微程序入口地址：由機器指令操作碼形成。后續(xù)微地址：由微地址字段、現行微地址、運行狀態(tài)等形成。微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微程序控制器原理第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2.工作過程

微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令（1）取機器指令CM取指微指令μIR控制存儲器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列

IR微命令字段譯碼器控制存儲器微命令主存機器指令微命令字段微地址字段IR

譯碼器微命令序列微程序控制器原理第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（2）轉微程序入口IR操作碼微地址形成電路入口μAR微命令字段CM首條微指令微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令控制存儲器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列

IR控制存儲器微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列微地址形成電路

IR微地址寄存器

微地址形成電路控制存儲器微地址寄存器微命令字段微地址字段（3）執(zhí)行首條微指令控制存儲器譯碼器μIRμIR譯碼器微命令字段微地址字段微命令序列微命令操作部件微程序控制器原理第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM

譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR（4）取后續(xù)微指令微地址字段現行微地址運行狀態(tài)微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址寄存器后續(xù)微地址μAR

微地址形成電路控制存儲器CM后續(xù)微指令μIR微地址寄存器微命令字段微地址字段微程序控制器原理第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）微地址形成電路

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PC微地址寄存器

μAR控制存儲器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成電路微地址寄存器微命令字段微地址字段（6）返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。微程序控制器原理第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微操作信號PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+1共15個微操作信號14012345678910111213第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP譯碼IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACiMOVSTAADDJPZJMPIRo,MARi;ACo,MBRi,W;IRo,MARi,R;MBRo,Yi;ACo,S0S1(加法),ACiIFZ=1thenIRo,PCi;

IRo,PCi;T0T1T2T3T4第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP譯碼IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACiMOVSTAADDJPZJMPIRo,MARi;ACo,MBRi,W;IRo,MARi,R;MBRo,Yi;ACo,S0S1(加法),ACiIFZ=1thenIRo,PCi;

IRoPCi;T0T1T0T1T0FTATET第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微指令的基本結構舉例此格式中，后續(xù)微指令地址由順序控制字段的6位信息決定。其中（20-23）4位用來直接給出下一條微指令的地址，（18，19）兩位作為判別測試標志。=0，表示不進行測試，直接按第20-23位給出的地址取下一條微指令；第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微指令的基本結構舉例當第18或19位為1，表示要進行P1或P2的判別測試，根據測試結果，需要對第20-23位的某一位或幾位進行修改，然后按修改后的地址取下一條微指令。第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微程序控制器的組成框圖第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四?指令的OP與微程序入口的可能映射方式及比較

OP就是指令微程序的入口地址(或高幾位)010001000111001OP01000..10001..11001第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四CPU周期與微指令周期的關系微指令周期：讀出微指令到執(zhí)行完該條微指令的時間在串行方式的微程序控制器中:微指令周期=讀出微指令的時間+執(zhí)行該條微指令的時間為了保持整個機器控制信號的同步，可將一個微指令周期設計成與CPU周期時間相等。第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四CPU周期與微指令周期的關系第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四機器指令與微指令的關系一條機器指令對應一段微程序，由微指令解釋執(zhí)行機器指令與內存M有關，微指令與控制存儲器CM有關每個CPU周期對應一條微指令第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微指令格式水平型微指令垂直型微指令混合型微指令第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（1）垂直型微指令優(yōu)點：一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。缺點：微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。（2）水平型微指令一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。優(yōu)點：缺點：微指令長，編寫微程序較麻煩。微程序短，執(zhí)行速度快。第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（3）混合型微指令微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。在垂直型的基礎上增加一些不太復雜的并行操作。第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四?水平型微指令和垂直型微指令的比較水平型微指令并行操作能力強，效率高，靈活性強，垂直型微指令則比較差。b.水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短，垂直型微指令執(zhí)行執(zhí)行一條指令的時間長。c.由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字較長，微程序短的特點；垂直型微指令則相反，微指令短而微程序長。第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微命令編碼方法(如何表示微操作)（1）直接控制法微命令按位給出。不需譯碼，產生微命令的速度快；信息的表示效率低。（微指令長，占CM容量大）。微指令中通常只有個別位采用直接控制法。如何確定微指令的結構，是微程序設計的關鍵。第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四?操作字段的每一位表示一個微命令?優(yōu)點:簡單、直觀，輸出直接用于控制?缺點:微指令字長、不利于減少控存容量第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（2）分段直接編譯法（單重定義編碼）微命令由字段編碼直接給出（顯式編碼）。微命令分組原則：同類操作中互斥的微命令放同一字段。不能同時出現第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四?把一組互斥的信號組成一個小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸出將作為操作控制信號。每次每個小組最多只能有一個有效。譯碼譯碼譯碼譯碼字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令每字段經過譯碼后，要有一個狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段，B輸入端的控制命令放BI字段。加法器

A

BR、CD、ER、CD、FAIBI33000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DAAI：000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DBBI：一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。編碼較簡單；第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微操作是計算機中最基本的操作，由于數據路、邏輯功能的關系，微操作可以分為：

?相容性的微操作:能同時并行執(zhí)行的微操作

?相斥性的微操作:不能同時并行執(zhí)行的微操作第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四圖中相斥性的微操作有：(+、–

、M)(4、6、8)(5、7、9)圖中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)與(5、7、9)兩組中各取一個任意組合第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微操作信號PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（3）分段間接編譯法（多重定義編碼，隱式編碼）例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。C=

CAa)設置解釋位或解釋字段解釋位1（A為某類命令）0（A為常數/另一類微命令）第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（3）分段間接編譯法（多重定義編碼，隱式編碼）b)分類編譯按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設置區(qū)分標志。例.DJS-220微指令分兩類。微指令CPU方式(觸發(fā)器C=0)I/O方式(觸發(fā)器C=1)全加器運算方式控制C=0

QC151617C=1QC’JCC’151617通道專用操作方式控制第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（4）其他編碼方法a)微指令譯碼與機器指令譯碼復合控制例.機器指令寄存器號寄存器傳A微指令譯碼器譯碼器001RA

R1A門第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四b)微地址參與解釋004微地址微指令取指標志變址標志01123例DJS180系列26個局部性微命令（4）其他編碼方法第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四微地址形成方式微程序入口地址的形成后續(xù)微地址的形成增量方式（計數器方式）

后繼微地址由現行微地址加上一個增量來產生

2）斷定方式（直接給定和測試斷定相結合形成微地址）第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3)

多路轉移方式：

一條微指令具有多個轉移分支的能力。?

取指微指令執(zhí)行后，下一條微指令由指令操作OP指定?

當微程序不出現分支時，直接由微指令的順序控制字段給出下一條微指令的地址。?

當出現轉移時，由判別測試字段和狀態(tài)條件來修改順序控制的某些位來實現多路分支。順序控制字段該信息有n位，微程序就有2n路轉移第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四例.機器指令1

0F(8位)入口地址=000FHCM機器指令2

10(8位)入口地址=0010H000F0010無條件轉微地址1微地址1微程序1無條件轉微地址2微地址2微程序2功能轉移功能轉移0頁第44頁，