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文档简介
1、计算机组成与结构计算机组成与结构运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备 总线总线 和和 入出接口入出接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)2 第六章 中央控制器outlineo CPU的功能和组成o 指令周期()o 硬布线控制器o 微程序控制器()3CPU的组成和功能CPU的组成CPU的功能CPU中的主要寄存器控制器基本组成4CPU的组成 运算器 算术运算/逻辑运算 控制器 从内存取出一条指令,并指出下条指令的地址 对指令进行译码,产生相应的控制信号 产生执行部件的运行所需要的控制信号 指挥并控制CPU,内存和I/O设备之间的数据
2、传送5 指令控制 程序的顺序控制,称为指令控制。 操作控制 CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号,把各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 时间控制 对各种操作信号发生时间上的定时,称为时间控制 数据加工 数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 处理中断CPU的功能6CPU中的主要寄存器通用寄存器 (R0Rn-1)堆栈指针寄存器(SP)数据缓冲寄存器(DR)地址寄存器(AR)程序计数器(PC)指令寄存器(IR)状态条件寄存器(PSW)7控制器基本组成8控制器基本组成 PC (Program Counter)-程序计数器 IR (Instructio
3、n Register)-指令寄存器 ID (Instruction Decoder)-指令译码器 OC (Operate Controller)-操作控制器 TG (Timer Generator) -时序发生器9控制器基本组成 PC (Program Counter)-程序计数器 IR (Instruction Register)-指令寄存器 ID (Instruction Decoder)-指令译码器 OC (Operate Controller)-操作控制器 TG (Timer Generator) -时序发生器指令译码器对指令进行分段(操作码、地址码)译码,指出指令的操作方式、寻址方式
4、为操作控制器提供输入信号10控制器基本组成 PC (Program Counter)-程序计数器 IR (Instruction Register)-指令寄存器 ID (Instruction Decoder)-指令译码器 OC (Operate Controller)-操作控制器 TG (Timer Generator) -时序发生器操作控制器根据指令操作码和时序信号,产生各种控制信号 ,以便建立正确的数据通路,从而完成取指令和执行指令的控制 数据通路-多寄存器间传送信息的通路。11控制器基本组成 PC (Program Counter)-程序计数器 IR (Instruction Regi
5、ster)-指令寄存器 ID (Instruction Decoder)-指令译码器 OC (Operate Controller)-操作控制器 TG (Timer Generator) -时序发生器操作控制器 硬布线控制器 (时序逻辑型) (硬件实现) 微程序控制器 (存储程序型) (软件实现)12控制信号控制信号形成部件形成部件译码译码IRPC输出输出设备设备输入输入设备设备主主存存运算器运算器部件部件时序时序启停启停地址寄存器械地址寄存器械数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线.控制条件控制条件控制器信号控制器信号主振主振硬布线控制器13控制控制存储器存储器映射映射IRPC输出
6、输出设备设备输入输入设备设备主主存存运算器运算器部件部件下地址下地址启停启停地址寄存器械地址寄存器械数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线.控制条件控制条件微指令寄存器微指令寄存器主振主振微程序控制器14控制器基本组成 PC (Program Counter)-程序计数器 IR (Instruction Register)-指令寄存器 ID (Instruction Decoder)-指令译码器 OC (Operate Controller)-操作控制器 TG (Timer Generator) -时序发生器时序产生器产生各种时序信号(电位,脉冲);对各种操作实施时间上的控制。15
7、第五章 中央控制器outlineo CPU的功能和组成o 指令周期()o 硬布线控制器o 微程序控制器()16指令周期 指令周期CPU每取出并执行一条指令,都要完成一系列的操作,这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期指令周期是取出并执行一条指令的时间各种指令的指令周期是不尽相同的17CPU周期指令周期常常用若干个CPU周期数来表示CPU周期也称为机器周期由于CPU内部的操作速度较快,而CPU访问一次内存所花的时间较长,因此通常用内存读取一条指令字的最短时间来规定CPU周期一条指令的取出阶段(通常称为取指)需要一个CPU周期时间18任何一条指令,它的指令周期至少需要两个CPU周期而复杂一些的
8、指令周期,则需要更多的CPU周期T周期T1T2T3T4T1T2T3T4机器周期(取指令)指令周期机器周期(执行指令)时钟周期:T,节拍脉冲, 完成一个微操作所用的时间CPU 周期:机器周期,从内存读出一条指令的最短时间指令周期:从内存取一条指令并执行该指令所用的时间。由若干个CPU周期组成。一个CPU周期又包含若干个时钟周期(节拍脉冲) 19微操作与微命令控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,通常把这种控制命令叫做微命令,它构成控制序列的最小单位。执行部件接受微命令后所进行的操作,称为微操作,它是最基本的、不可再分解的操作。例如微操作ARPC ;微命令PCout,微命令ARin (输出
9、允许,输入锁存)采用节拍周期定义完成一个微操作所用的时间。20一至多个微命令同时有效实现一个特定的微操作完成一组微操作实现一个CPU周期顺序完成若干CPU周期实现一个指令周期完成若干个指令周期实现一段程序的功能。21ADD指令周期取指令PC+1指令译码取操作数取下条指令PC+1取指令阶段1个CPU周期1个CPU周期开始送操作数地址执行指令阶段1个CPU周期执行加法操作22CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 020ADD 30CLA指令译码器操作控制器时序产生器程序计数器PC地址寄存器AR缓冲寄
10、存器DR累加器AC指令寄存器IR执行指令控制地址总线ABUS数据总线DBUS000 021ADD 30000000000ADD指令000 022+1PCARABUSRAMDBUSDRIRPC+123CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 021ADD 30CLA指令译码器操作控制器时序产生器程序计数器PC地址寄存器AR缓冲寄存器DR累加器AC指令寄存器IR执行指令控制地址总线ABUS数据总线DBUS000 030ADD 30000000000ADD指令000 022+1000 006IRARABU
11、SRAMDBUSDRALUALUAC00624ADD执行过程的操作 PCAR PC+1PC AR RAMDBUSDR DRIR IR(A)ARABUSRAM DBUSDRALU ALUAC25取指周期微操作流程(公共操作) T3 T2 T1 ARPC DRMemoryAR,Mread PC PC+1 IRDR 取指 T3 T2 T1 ARPC DRMemoryAR,Mread PC PC+1 IRDR 取指 组合微操作的规则:遵守操作发生的顺序必须避免冲突26执行周期微操作序列1.MOV R1,R02.MOV R0,X3.MOV (R1),R04.ADD R1,R05.SUB R0,(X)6.
12、IN R0,P7.OUT P,R08.JUMP X9.JZ offs10.PUSH R011.POP R012.CALL (X)13.RET27(1)MOV R1,R0T1:R1R0(2)MOV R0,XT1:ARIR(地址字段)T2:DRMemoryAR,MreadT3:R0DR(3)MOV (R1),R0T1: ARR1T2: DRR0T3: MemoryARDR,Mwrite28(4)ADD R1,R0T1: YR0T2: ZR1+YT3: R1Z(5)SUB R0,(X)T1: ARIR(地址字段)T2: DRMemoryAR,MreadT3: ARDRT4: DRMemoryAR,M
13、readT5: YR0T6: ZYDRT7: R0Z29(6)IN R0,PT1: ARIR(地址字段)T2: DRIOAR,IOreadT3: R0DR(7)OUT P,R0T1:ARIR(地址字段)T2:DRR0T3:IOARDR,IOwrite30(8)JUMP XT1:PCIR(地址字段)(9)JZ offsIf (ZF=1) thenT1:YIR(地址字段) T2:ZPC+YT3:PCZ 31(10)PUSH R0T1: SPSP1,DRR0T2: ARSPT3: Memory ARDR,Mwrite(11)POP R0T1: ARSPT2: DRMemoryAR,MreadT3:
14、R0DR,SPSP+132(12)CALL (X)T1:SPSP1,DRPCT2:ARSPT3:Memory ARDR,MwriteT4:ARIR(地址字段)T5:DRMemoryAR,MreadT6:PCDR(13)RETT1: ARSPT2: DRMemoryAR,MreadT3: PCDRSPSP+ 133微命令 PCin PC的锁存输入控制信号; PCout PC的输出允许控制信号; PC+1 PC的自动增量控制信号; IRin IR的锁存输入控制信号; IRout IR的输出允许控制信号; SPin SP的锁存输入控制信号; Spout SP的输出允许控制信号; SP+1 SP的自动
15、增量控制信号; SP-1 SP的自动减量控制信号; Riin Ri(0in-1)的锁存输入控制信号; Riout Ri(0in-1)的输出允许控制信号;34 Yin 暂存器Y的锁存输入控制信号; Zout 暂存器Z的输出允许控制信号; ARin AR向CPU内部总线的锁存输入控制信号; ARout AR面向系统总线的输出允许控制信号; DRIin DR面向CPU内部总线的锁存输入控制信号; DRIout DR面向CPU内部总线的输出允许控制信号; DRSin DR面向系统总线的锁存输入控制信号; DRSoutDR面向系统总线的输出允许控制信号; Mread 从主存储器读出信息的读控制信号; M
16、write 将信息写入到主存储器的写控制信号; IOread 从I/O设备输入信息的读控制信号; IOwrite 将信息写入到I/O设备的写控制信号;35 ADD加载至ALU的加法运算控制信号; SUB加载至ALU的减法运算控制信号; AND加载至ALU的逻辑与运算控制信号; OR加载至ALU的逻辑或运算控制信号; SHL加载至ALU的逻辑左移控制信号; SHR加载至ALU的逻辑右移控制信号; ROL加载至ALU的循环左移控制信号; ROR加载至ALU的循环右移控制信号; 设计控制器准备工作定义计算机基本硬件组成和基本指令系统;基于定义的硬件结构,针对每条指令,描述CPU完成的微操作;确定控制
17、单元应该完成的功能,即何时产生何种微命令。37 第五章 中央控制器outlineo CPU的功能和组成o 指令周期()o 硬布线控制器o 微程序控制器()38硬布线控制器设计 基于指令产生有序控制信号。 采用一级时序,即只产生节拍信号 采用两级时序,即产生节拍和CPU周期两种时序信号39方法1:一级时序实现指令SUB R0, (X)功能的微操作序列: T1:ARPC;取指令阶段 T2:DRMemoryAR,Mread,PCPC+1 T3:IRDR T4:ARIR(地址字段);执行指令阶段 T5:DRMemoryAR,Mread T6:ARDR T7:DRMemoryAR,Mread T8:YR
18、0 T9:ZYDR T10:R0Z40方法2:两级时序(2个CPU周期)实现指令SUB R0, (X)功能的微操作序列: M1:;取指CPU周期T1: ARPC T2: DRMemoryAR,Mread ,PCPC+I T3: IRDR M2:;执行CPU周期T1: ARIR(地址字段) T2: DRMemoryAR,Mread T3: ARDR T4: DRMemoryAR,Mread T5: YR0 T6: ZYDR T7: R0Z41方法2:两级时序(3个CPU周期)实现指令SUB R0, (X)功能的微操作序列: M1:;取指CPU周期T1: ARPCT2: DRMemoryAR,Mr
19、ead,PCPC+IT3:IRDR M2:;取数CPU周期T1: ARIR(地址字段)T2: DRMemoryAR,MreadT3: ARDRT4: DRMemoryAR,Mread M3:;执行CPU周期T1: YR0T2: ZYDRT3: R0Z424344PCout的逻辑表达式 两级时序PCoutM1T1 M2T2JZ(相对寻址)(ZF=1) M2T1CALL(间接寻址) 一级时序PCoutT1 T5JZ(相对寻址)(ZF=1) T4CALL(间接寻址) 45ARin的逻辑表达式 两级时序ARinM1T1M2T1MOV(源操作数直接寻址+目的操作数寄存器间接寻址)M2(T1+T3) SU
20、B(源操作数间接寻址)M2T1(IN(直接寻址)OUT(直接寻址)M2T2PUSHM2T1POPM2(T2+T4)CALL(间接寻址)2T1RET 一级时序ARinT1T4MOV(源操作数直接寻址+目的操作数寄存器间接寻址)(T4+T6) SUB(源操作数间接寻址)T4(IN(直接寻址)+OUT(直接寻址)T5PUSHT4POP(T5+T7)CALL(间接寻址)T4RET4647 每个控制信号的逻辑表达式就是一个与或逻辑方程式。用一个与或逻辑电路就可以实现该控制信号的生成。 将所有控制信号的与或逻辑电路组合在一起就构成了硬布线控制单元。 时间信息、指令信息、状态信息是硬布线控制单元的输入,控制
21、信号是硬布线控制单元的输出。 硬布线控制器的特点 修改不灵活 电路实现困难48 第五章 中央控制器outlineo CPU的功能和组成o 指令周期()o 硬布线控制器o 微程序控制器()49微程序控制器微程序控制基本思想微程序控制器组成原理微指令设计n微指令地址的生成n微指令控制域编码n微程序设计50微程序控制器微程序控制基本思想 以存储逻辑取代硬布线控制的时序逻辑,根据指令操作码的译码转向控制存储器取出对应的微程序,由微指令提供微操作控制信号。51 微指令对在一个时间单位(节拍)内出现的一组微操作进行描述的语句称作微指令。 微指令的一般格式控制域:产生控制信号。地址域:生成下一条微指令的地址
22、。 微地址微指令存放在控制存储器中,存放微指令的控制存储器的单元地址称为微地址。 微程序一个微指令序列称作微程序或固件。一个操作微程序实现一条机器指令的功能。 微周期从控存中读取一条微指令并执行相应的一组微命令所需的全部时间52 在控制存储器中存放着指令系统中定义的所有指令的操作微程序及公共取指微程序。53微程序控制计算机涉及两个层次传统机器层:机器指令工作程序主存储器微程序层:微指令微程序控制存储器54微程序控制器微程序控制基本思想微程序控制器组成原理微指令设计n微指令地址的生成n微指令控制域编码n微程序设计55微程序控制器组成微程序控制器组成原理原理1.主要部件(1)控制存储器CM功能:
23、存放微程序。CM属于CPU,不属于主存储器。 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR控制存储器控制存储器CM56(2)微指令寄存器 IR功能: 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放现行微指令。微命令字段:提供一步操作所需的微命令。微地址字段:指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。(微操作控制字段
24、)(顺序控制字段)微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR57 微地址微地址形成电路形成电路(3)微地址形成电路功能: IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR提供两类微地址微程序入口地址: 由机器指令操作码形成。后续微地址:由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。 微地址微地址形成电路形成电路 微地址微地址形成电路形成电路582.工作过程(1)取机器指令CM取指微指令IR微命令字段译码器微命令主存机器指令IR 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地
25、址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列59(2)转微程序入口IR操作码微地址形成电路微程序入口AR微命令字段CM首条微指令(3)执行首条微指令IRIR译码器 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列
26、微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 微地址微地址形成电路形成电路 IR微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令操作部件60(4)取后续微指令微地址字段现行微地址运行状态
27、微地址形成电路后续微地址ARCM后续微指令IR 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器61(5)执行后续微指令同(3) 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控
28、制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器(6)返回 微程序执行完,返回CM中存放取指微指令的固定单元。62微程序控制器微程序控制基本思想微程序控制器组成原理微指令设计n微指令地址的生成n微指令控制域编码n微程序设计63微指令地址的生成 三类微地址 微程序入口地址 OP微程序入口地址
29、 下一条顺序微地址 下一条微指令地址当前微指令地址1 分支跳转微地址 无条件和条件跳转 两分支和多分支跳转641)两地址格式(断定方式)652)单地址格式(计数方式,增量方式)663)可变格式 微指令执行时不存在无用信息顺序执行时只提供控制信号分支时提供跳转地址 两种微指令格式控制微指令 S0转移微指令 S1 控存单元的位数LmaxLc,Lj Lc 控制微指令长度 Lj转移微指令长度67684)三种地址域格式的比较 两地址格式 分支逻辑较简单,下址可以快速生成 地址域较长,微指令较长,控存单元位数较多 单地址格式 减少了微指令的长度,控存容量大为减小 PC加1的速度决定了顺序下址产生的时间 可
30、变格式 长度最短,要求控存单元的位数最少 采用专用的跳转微指令使微程序的长度增加,控存单元数量增加,机器指令执行时间增长 下址的生成时间与单地址格式基本一致69 O E F U L L 压 栈 /弹 出 保 持 /清 零 清 零 / 选 择 减 量 / 保 持 / 装 数 寄 存 器 /计 数 器R 零 检 测 器 D R F P C 多 路 地 址 选 择 器 命 令 译 码 器 微 堆 栈 指 示 器 S P 5 字 1 2 位 微 堆 栈F 微 程 序 计 数 器 寄 存 器 P C 增 量 器 D 1 1 D 0 R L D R为零 C I C P Y 1 1 Y 0 C C C C
31、E N I3 I0 P L M A P V E C T 5)微程序定序器Am2910AM2910的作用是产生下一条微指令的地址。包括一个四输入的多路地址选择器:寄存器/计数器(R),直接输入(D),微程序计数器(PC),微堆栈(F)70I3I0功能2无条件转至微程序入口(/MAP=0)。3若/CC=0,则下条微指令地址来自当前微指令的下址字段(/PL=0);若/CC=1,则顺序执行(来自PC)。4进栈且条件装入计数器。把下条微指令的地址压入微堆栈,若/CC=0,则把当前微指令的下址字段内容装入计数器,然后顺序执行。8重复循环。前提:已使用4号命令,循环首址压入微堆栈,循环次数装入计数器。若R/
32、C0,则R/C减1,微堆栈栈顶的内容作为下条微指令的地址。若R/C=0,则(SP)-1SP(弹栈),顺序执行下条微指令。14无条件顺序执行(来自PC )。153路转移。前提同8号。F、D(/PL=0)、 PC若R/C0,则R/C减1:若/CC=0,弹栈,选择PC;若/CC=1,选择F(栈顶)。若R/C=0,弹栈:若/CC=0,选择PC;若/CC=1,后继微指令地址来自当前微指令的地址字段。71微程序控制器微程序控制基本思想微程序控制器组成原理微指令设计n微指令地址的生成n微指令控制域编码n微程序设计72微指令控制域编码 水平型微指令多个控制信号同时有效 多个微操作同时发生。可以在同一个时间有效
33、的控制信号称为相容信号,具有相容性;不能在同一个时间有效的控制信号称为互斥信号,具有互斥性。 垂直型微指令类似于机器指令,利用微操作码的不同编码来表示不同的微操作功能。731)水平型微指令控制域的编码l操作域每一位代表一个微命令。优点:简单直观,其输出直接用于控制,并行性强,速度快。缺点:微指令字较长,因而使控存容量较大。(1)直接表示法74(2)最短字长编码法l 所有微命令统一编码,每条微指令只定义一个微命令。 L log2n 优点:微指令字最短。 缺点:译码复杂,不能充分利用硬件的并行性,微程序长,速度慢,对要求同时动作的组和性微操作无法实现。 最短字长编码法也被称为垂直编码。75(3)字
34、段直接编码法l把一组互斥性的微命令信号组成一个字段,然后通过字段译码器对每一个微命令信号进行译码,译码输出作为操作控制信号。l字段内垂直编码,字段间水平编码。76l优点:用较少的二进制信息位表示较多的微命令信号。l缺点:使微程序的执行速度减慢。l每个字段中要设计一个无效控制信号的编码。例如:3位二进制位译码后可表示7个微命令,4位二进期位译码后可表示15个微命令。l字段组织的有效方法:按功能组织:把功能类同的各控制信号放在同一字段中。按资源组织:把加载到同一部件上的各控制信号放在同一字段中。77 举例:7879(4)字段间接编码法 一个字段的某些编码不独立地定义某些微命令,而与其他字段联合定义
35、。80n通常把直接控制法与字段编码法相混合使用,以便能综合考虑微指令字长、灵活性和执行微程序速度等方面的要求。 n目标:减少微指令字长,增强微操作的并行性。812)垂直型微指令控制域的编码 采用与机器指令相似的格式微操作码 指示作何种微操作 固定长度、可变长度微操作对象 为微操作提供所需的操作数(常量或地址) 一个、多个 特点控制域紧凑、短小并行能力差,微程序长,执行速度减慢823)水平型与垂直型微指令的比较水平特征垂直特征不编码高度编码控制字段多位微指令字较短高度并行并行能力差硬件细节观点硬件总体观点编程困难编程容易很少或没有控制逻辑复杂的控制逻辑执行快执行慢实现一条机器指令对应的微程序短实现一条机器指令对应的微程序长优化性能优化编程83微程序控制器微程序控制基本思想微程序控制器组成原理微指令设计n微指令地址的生成n微指令控制域编码n微程序设计84微程序设计1. 微程序结构1)一条指令对应一段完整的微程序2)将微程序中的公共部分设计成微子程序进行公共调用852. 编写微程序 编写微程序要做两件事1)按照设计好的微指令格式,将指令微操作(微命令)序列按每节拍一条微指令写出每条微指令的具体编码;2)按照选定的微程序结构,将微指令组织成微程序或微子程序。举例:举例:18位微码用于控制与给出每条微指令的下地址,供控
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