计算机组成原理第十一讲(微程序控制器)

1、计算机组成原理第十一讲：微程序控制器设计微程序控制基本原理基本思想若干条微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令微程序事先放在控制存储器中，执行机器指令时再取出CPU的构成引入了程序技术，使设计规整；引入了存储逻辑，使功能易于扩展。逻辑组成微程序控制基本原理 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR（1）控制存储器CM功能：存放微程序。CM属于CPU，不属于主存储器。 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR

2、（2）微指令寄存器 IR功能：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)(顺序控制字段) 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR（3）微地址形成电路功能：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。 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR（4）微地址寄存器 AR功能：存放现行微地址。工作过程 微地址形

3、成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR 取指微指令（1）取机器指令CM取指微指令IR控制存储器 取指微指令微命令字段 微地址字段 译码器微命令序列 IR微命令字段译码器控制存储器微命令主存机器指令微命令字段 微地址字段IR 译码器微命令序列（2）转微程序入口IR操作码微地址形成电路入口AR微命令字段CM首条微指令 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR 取指微指令控制存储器 取指微指令微命令字段 微地址字段 译码器微命令序列 IR控制存储器微命令字段 微地址字

4、段 译码器微命令序列 微地址形成电路 IR微地址寄存器 微地址形成电路控制存储器微地址寄存器微命令字段 微地址字段（3）执行首条微指令控制存储器 译码器IRIR译码器微命令字段 微地址字段微命令序列微命令操作部件 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR（4）取后续微指令微地址字段现行微地址运行状态微地址形成电路微命令字段 微地址字段 PSW微地址寄存器 微地址形成电路微命令字段 微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器后续微地址AR 微地址形成电路控制存储器CM后续微指令IR微地址寄存器微命令字段 微地址字段（5）执行后

5、续微指令同（3） 微地址形成电路 IR PSW PC微地址寄存器 AR控制存储器CM 译码器微命令序列微命令字段 微地址字段IR微命令字段 微地址字段 PSW微地址寄存器 微地址形成电路微命令字段 微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址形成电路微地址寄存器微命令字段 微地址字段（6）返回微程序执行完，返回CM(存放取指微指令的固定单元)。微程序控制基本原理微指令格式分类垂直型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作优点：微指令短、简单、规整、便于编写微程序缺点：微程序长，执行速度慢，工作效率低水平型微指令一条微指令定义并执行几种并行的基本操作水平型微指令优点：微程序短、执行速度快缺点

6、：微指令长，编写微程序较麻烦混合型微指令在垂直型的基础上，增加一些不太复杂的并行操作优点：微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快微程序控制基本原理例：长城203微指令微程序控制基本原理 AI BI ZO AOP MOP KK ST 3 3 3 3 4 4 4运算器输入控制运算器输出控制操作类型控制访M、I/O控制常数辅助操作微指令编码方法直接控制法（不译法）：微命令按位给出微程序控制基本原理例. 某微指令 C0 R W1 1 1C0=0 进位初值为01 进位初值为1R=0 不读1 读0 不写1 写W=直接控制法（不译法）优点：不需译码，产生微命令的速度快缺点：信息的表示效率低应用场合：

7、微指令中通常只有个别位采用直接控制法分段直接编译法（显示编码、单重定义）定义：微命令由字段编码直接给出优点：操作唯一、编码较简单、一条微指令能同时提供若干微命令、便于组织各种微操作微程序控制基本原理微程序控制基本原理例.对加法器输入端进行控制。000 不发命令微指令中设置AI字段，控制加法器的输入选择。 加法器 A BR、CD、ER、CD、FAI3010 C A100 F B001 R A010 C A011 D B011 D B？微命令分组原则：同类操作中互斥的微命令放同一字段。不能同时出现CD微程序控制基本原理加法器A输入端的控制命令放AI字段，B输入端的控制命令放BI字段。 加法器 A

8、BR、CD、ER、CD、F000 不发命令010 C A100 E A001 R A011 D ACDAI BI3 3010 C A000 不发命令010 C B100 F B001 R B011 D B011 D BAI：BI：分段间接编译法（隐式编码、多重定义） 微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出设置解释位或解释字段微程序控制基本原理例. C = C A 解释位1 A为某类命令0 A为常数分类编译：按功能类型将微指令分类，分别安排各类微指令格式和字段编码，并设置区分标志。微程序控制基本原理例.DJS-220 微指令分两类。 微指令CPU方式(触发器C=0)I/O方式(触发器C=1)全

9、加器运算方式控制C = 0 QC15 16 17C = 1 QC JCC15 16 17通道专用其他编译方法微指令译码与机器指令译码复合控制微程序控制基本原理例.机器指令 寄存器号 寄存器传A微指令译码器译码器001R A R1 A门微地址参与解释微指令代码微程序控制基本原理例. 004微地址微指令 取指标志 变址标志 011微地址形成方式初始微地址的形成每条机器指令由一段微程序解释执行，入口地址就是初始微地址每条机器指令都有取指操作，公用的“取指微程序”实现取指操作取机器指令：0#单元或特定的单元开始功能转移微程序控制基本原理功能转移一级功能转移微程序控制基本原理各操作码的位置、位数固定，一

10、次转换成功。 入口地址=页号，操作码 指令操作码 微程序入口 功能转移例. 机器指令1 0F(8位) 入口地址=000FH CM机器指令2 10(8位) 入口地址=0010H 000F0010无条件转 微地址1微地址1微程序1无条件转 微地址2微地址2微程序2 功能转移 功能转移0页二级功能转移微程序控制基本原理各类指令操作码的位置、位数不固定，需两次转换 分类转： 指令类型标志 区分指令类型 功能转： 指令操作码 区分操作类型 例.某指令系统：双操作数指令的操作码占4位，其中高两位为00，即双操作数指令类型标志； 单操作数指令的操作码占6位，其中高两位为01，即单操作数指令类型标志。加法指令

11、0001(4位) CM减法指令0010(4位) 无条件转 1000001000000001无条件转 1000 功能转移 功能转移求补指令011100(6位) (1K)分类转移给定入口高6位1000000010无条件转 加法地址无条件转 减法地址分类转移给定入口高4位1000011100无条件转 求补地址加法地址加法微程序用可编程逻辑阵列PLA实现功能转移微程序控制基本原理入口地址 1 PLA IR入口地址 2 后续微地址的形成增量方式：以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式微程序控制基本原理顺序：现行微地址+1。 跳步：现行微地址+2。 无条件转移：现行微指令给出转移微地址。 CMAA+1A+2

12、BB条件转移：现行微指令给出转移微地址和转移条件。 B 转移条件 CC(条件满足)(条件不满足)转微子程序：现行微指令给出微子程序入口。 DD微子程序返回微主程序：现行微指令给出寄存器号。 A+1RR断定方式：由直接给定和测试断定相结合形成微地址微程序控制基本原理微指令 给定后续微地址高位部分 给定部分 断定条件指明后续微地址低位部分的形成方式 微程序控制基本原理例1.微指令 D（给定） A（条件）2位位数可变微地址10位，约定：A=0110微地址低4位为操作码，D给定高 位；微地址低3位为机器指令目的寻址方式微地址低3位为机器指令源寻址方式6711编码，D给定高 位；编码，D给定高 位。71

13、6路分支8路分支8路分支例2.微指令 设微地址10位，4个状态触发器T1T4，微程序可按它们的状态转移。给定 D A B 后续微地址00001010 D(8位) A(2位) B(2位)条件A 低位地址 00 0 01 1 10 T1 11 T2B 最低位地址 00 0 01 1 10 T3 11 T4000100001010010110T301000010101000001010111011T1T4000110110000101000000010100100001010100000101011优点：设计规整，设计效率高易于修改、扩展指令系统功能结构规整、简洁，可靠性高性价比高缺点：速度慢：访存

14、频繁、转移较多执行效率不高：未充分发挥数据通路本身具有的并行能力微程序控制基本原理应用范围用于速度要求不高，功能较复杂的机器中微程序控制基本原理本章小结建立CPU整机概念：逻辑组成、工作机制逻辑组成：寄存器、ALU设置和数据通路结构工作机制指令的执行过程寄存器传送级：各类指令的流程微操作控制级：微命令序列本章小结拟定流程的关键：清楚了解数据通路结构熟练掌握基本寻址方式基本寻址方式（模型机）寄存器寻址：R寄存器间址：（R）自减型寄存器间址：-（R）-（SP）（用于入栈操作）自增型寄存器间址：（R）+（SP）+（用于出栈操作）本章小结立即寻址：（PC）+变址寻址：X（R）相对寻址：X（PC）有关的基本概念微命令的产生方式组合逻辑控制方式：基本思想、优缺点、应用场合微程序控制方式：基本思想、优缺点、应用场合本章小结时序控制方式同步控制方式：定义、特点、应用场合异步控制方式：定义、特点、应用场合主机与外设的信息传送控制方式程序查询传送方