微程序控制器地基本原理

1、微程序控制器的基本原理1、 控制存储器： 控制存储器是微程序控制器中的核心部件，通常由只读存储器ROM 器件实现，简称控存。2、微指令：控制存储器中的一个存储单元（字）表示了某一条指令的某一操作步骤的控制信号，以及下一步骤的有关信息，称该字为微指令。作用：准确提供了指令执行中的每一步要用的操作信号及下一微指令的地址。3、微程序：全部 微指令的集合称为微程序。4、 微程序控制器的基本工作原理：根据IR （指令寄存器）中的操作码，找到与之对应的控存中的一段微程序的入口地址，并按指令功能所确定的次序，逐条从控制存储器中读出微指令，以驱动计算机各部件正确运行。5、 得到下一条微指令的地址的有关技术：要

2、保证微指令的逐条执行，就必须在本条微 指令的执行过程中，能得到下一条微指令的地址。形成下条微指令地址（简称下地址）可能有下列五种情况： 下地址为本条微指令地址加 1 ； 微程序必转某一微地址，可在微指令中给出该微地址值； 根据状态标志位，选择顺序执行或转向某一地址； 微子程序的调用及返回控制，要用到微堆栈； 根据条件判断转向多条微指令地址中的某一地址，比更复杂的情况。女口：若C=1，转移到 A1微地址；若S=1，转移到 A2微地址；若Z=1，转移到B1微地址；这种情况，在微指令中直接给出多个下地址是不现实的，应找出更合理的解决方案。微指令的格式和内容：下地址字段控制命令字段补充：微指令编码的方

3、法（1）直接表示法（水平型微指令）：操作控制字段中的每一位带代表一个微操作控制信号。如教学实验计算机的微指令56位（2）编码表示法（垂直型微指令）：把一组相斥性的微命令信号组成一个小组，通过小组字段译码器对每一个微命令信号进行译码。（3）混合表示法：将直接表示法与编码表示法相混合使用。教学计算机微指令格式B55宀B48下地址B47“B40 B39B321备用CI3 CIOsee SC备 SSTB31B24 B23B16Miq 18-16) REQ15 13WE12 10A 口B15B8 B7B0B 口SCiSSHSADC1SB| DC2下地址字段的内容得到下地址的方法在微指令下地址字段中表示清

4、楚：由指令操作码得到微指令顺序执行微指令必转或条件转移多路微地址转移微子程序调用和返回按次数循环一段微程序其它：如特定入口微地址使用哪种方法哪个判断条件，要用的有关地址等，并用专门电路完成必要支持和处理微指令的下地址是微程序设计中要重点解决的问题之一，技术、技巧性强应学得好些微程序定序器Am2910芯片的组成与功能功能：在微程序控制器中，Am2910用于形成下一条微指令地址。它能提供12位微指令地址，因此可直接寻址 4096条微指令字的空间范围。组成：4输入的多路地址选择器，可从下列4个之一选择寄存器/计数器（RIC）直接输入微地址（D）微程序计数器（疔C）微堆栈（F）保持CCCCEN13-1

5、0/7IDllDOPL /MAP /VECT/FULL寄存器/拆数器叭*»微堆橈指针R/CJ1SP/RLDCP零检 测出杨入栈 保持犒零 v VD R F多路选择器/OE¥11-Y0微程序计数 器pPC ir 增量器T输出Y /OEF3F-COOOOVRCn44Am2901内部组成Q寄存器三选一二选一Tj _ | B锁存器| |aL存器|输入D三选一结景为零结栗崔出F3F=0000OVRCn-4Aih2901芯 片是一个4位的 位片结构的运算 器器件，其内韶组 成讲解如下：第一个组成部分 是算逻运算部件 ALU,龍完战3 种算术运算和5 种逻辑运算功能.其输出为亿两 略输入

6、为乩N, 星低位进位Cn, 四个状态输出信 号如图所示.F3F=0000OVRCn-M|b呼器A锁存器E16牛玄通用寄存器A 口地址B 口地址f （写入通过B 口地址* A口地址读出的 数据将送到小A锁存器'要写入寄存器的数据 由一个多路选择器送来UI第二个组成部分 是通用寄存器组 由16个寄存器构 成，并通过A 口 与B 口地址选择 械读的寄存器沪 H口地址还用于 指定写入寄存器F3OTtCn+4第三个组成部分 是乘商寄存器Q 它能对自己的内 容完成左右移位 功能，其输出可 以送往ALU,并 可接收ALU的输 出结果dQ寄存器输出Y v该芯片的第四个 组成部分是五组 多路选通门.包

7、插如下内容； 一组二选一门， 选择把A 口数据 或ALU结果送 出芯片，以给出 输出Y的数据， Y綸出的有无还 受输出使能/OE 信号的控制.仅 当/OE为低是才 有Y输出,/OE 为髙，Y输出为 髙阻态.输出Y +-/OEF31=0000OVRCil+4二选一7ICn三选一 | |二选匚1Q寄存器|B锁存器 A锁存器通用寄存器输入DA 口地址IB 口地址一组三选一门和 另一组二选一门 用来选择送向 ALU的J R输 入端的数据来源 包插Q寄存器負 A口. BCk 外 部输入D数据的 8种不同组合口输出Y ./OE*/OE齢七F37=0000OVRUn+4Cn二选一组三选一门 完成把ALU的

8、输出，或左移 一位*或右移 _位的值送往 通用寄存器组 »最高r最低 位移位信号有 双向入/出问题Q岂存器PL_B锁存器|A锁存器A 口地址通用寄存器RA三选-0一组三选_门 完成Q寄存器 的左移一位" 或右移一位、 或接cfcALU输 出值的功能， 最高.最低位 移位信号有双 向入/出问题-微程序设计微程序设计是用规整的存储逻辑代替不规则的硬接线逻辑来实现计算机控制器功能的技术。每一条指令启动一串微指令，这串微指令称为微程序。微程序存放在控制存储器中，修改控制存储器内容可以改变计算机的指令。微程序是由若干条 微指令组成的序列。在计算机中，一条 机器指令的功能可 由若干条微

9、指令组成的序列来解释和执行，因此机器执行一条指令的过程，也就 是执行一个相应的微程序的过程。就一般 数字系统而言，按照我们在第6 . 5节 中使用的概念，微程序实质上就是将控制算法 流程图用EPROM等来实现。微程序概念的引入使大型复杂数字系统控制器的设计发生了革命性的变化。因为微程序技术可代替硬件布线的控制技术， 即由门电路和触发器等组成的硬件 网络可被存有控制代码的EPROM存储器所取代在计算机等数字系统中，控制器的典型功能是按时间节拍发出一定数量的控制信 号，使系统完成若干基本操作，经过若干节拍后即完成一种相对完整的功能， 如 一条机器指令的功能。在一般的控制器中这些控制都是由硬接线逻辑

10、来实现的， 在微程序控制器中这些基本操作是由存在于控制存储器中的微程序段控制完成 的，每个基本操作称为微操作。微程序段由若干条微指令组成。图中，从存储器中取一条机器指令送入指令寄存器，寄存器的输出接微程序 控制器，由后者控制微程序的执行。通常，机器指令的操作码通过微程序控制器 给出执行这条机器指令微程序段的首址，从控制存储器中取出此微程序段的第一 条微指令存入微指令寄存器。一条微指令包含若干个微码域。各个微码域通过一 定的译码控制各相应功能执行部件， 在微指令周期内完成相应的各个微操作。 微 指令周期也称为微周期。微指令中一部分信息（微码域）也可反馈到微程序控制 器，协同微指令执行后产生的状态

11、信息和机器指令中除操作码以外的其他信息， 通过微程序控制器去选取下一条微指令， 从而控制微程序的流程相继执行这一段 微程序而完成一条相应机器指令所要求的功能。各种机器指令的功能都是通过执 行相应的微程序段来完成的，也可设计编制一微程序段，用以完成一条宏指令或 宏命令。把设计编制的各微程序段适当组合起来可形成一个微程序整体， 控制器 的功能就反映在这一整体中，所以微程序控制的物理结构很规整，而其功能设计 方法又很灵活。微周期的长短以及在一个微周期内能完成的微操作个数，是决定计算机系统运行速度的主要因素。微周期越短，一个微周期内完成的微操作越多，系统的运 行速度越高。微周期短，要求包括控制存储器在

12、内的控制部件和被它控制的各个 功能执行部件有足够的快速响应能力。 在一个微周期内能完成的微操作越多， 就 要求这一系统有更多的功能执行部件（硬件资源），而微指令中也必须有对应的 微码域，即增加微指令的字长或宽度，而且这些微操作所需的硬件资源数据和控制 条件不能相关，以便在同一微周期内并行执行。如一个微操作所需的数据或控制 条件依赖于另一个微操作的执行结果，则两个微操作就不能并行执行。为了获得 高效率，在编制微程序时应使尽可能多的微操作并行执行，这通常称为微程序的优化。微程序设计的主要内容包括系统分析设计、微程序编制和微程序仿真。系统分析和设计设计前根据所要求的系统性能指标对计算机系统进行分析，

13、 确定需要配置的各种功能执行部件，即硬件资源。然后对微指令宽度及其所包含 的各个微码域，微指令种类和微程序控制器等进行设计。在规模大、性能高的系统中，要求微指令有较大的宽度，包含较多的微码域， 使较多的微操作能并行执行。这种微指令通常称为水平型微指令。控制存储器是 快速部件，成本较高，即使是水平型微指令，在不影响并行度的情况下也应尽可 能压缩微指令的宽度。控制同一类型且彼此相斥的操作时，可以先对微码域进行译码再进行控制以缩短微指令宽度。例如，可将控制算术逻辑部件的微码域分为 5个分微码域，其中1个分域用以选择一种算术逻辑运算，3个分域分别控制3 个输入端数据源的选择，另外一个控制运算结果的去处

14、。若部件共有16种运算（包括空操作），它们是互斥的，即任何时候只能选择其中一种。 使用4位域经 过译码可产生16个选择信号，这和使用不经译码的 16位域的作用是一样的。 输入端数据源的选择控制和输出去处的控制的情况也与此类似。对于规模较小的系统，硬件资源较少，并行度要求较低，可采用宽度小的微 指令格式，通常称为垂直型微指令。水平型微指令并行度高，但造价也高，编写 较困难。垂直型微指令并行度低，造价也低，编写比较容易。为了降低成本又有 较好的并行度，可采用两级微程序控制的系统，第一级属垂直型，第二级属水平 型，也称为毫微程序。由第一级微指令选取第二级微指令，再产生各种控制信号。 这种两级微程序控制系统，结构上复杂一些，快速性也低于一级水平型微程序系 统，但如果设计得每条毫微指令基本都可被若干条微指令来选取，大宽度的毫微指令条数可以减少好几成，能明显地降低成本，提高性能价格比。微程序编制技术主要包括微程序验证、优化和编写。系统是在微程序控制下 运行的，微程序的正确性至关重要，编制的微程序必须通过模拟手段验证。微程 序的效率直接影响系统的效率，所以必须优化。在实践中经常把优化与验证结合 起来进行，目的是编制出正确而高效的微程序。 编写微程序，特别是水平型微程 序比较费时。最常用的编写工具是微汇编。微程序仿真用微程序设计的方法使某一计算机系统执行被仿真计算机系统的程序。仿真的作用与