计算机组成原理控制器微程序

计算机组成原理控制器微程序第一页，共五十页，编辑于2023年，星期五微命令：构成控制信号序列的最小单位。微操作：由微命令控制实现的最基本操作。微指令：若干个微命令的组合。微周期：指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。微程序：一系列微指令的有序集合。控制存储器：存放微程序的只读存储器。微程序控制器的基本概念第二页，共五十页，编辑于2023年，星期五微程序控制的基本思想微程序事先存放在控制存储器(CM)中，执行机器指令时再取出。1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2.若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；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。结论：执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。第三页，共五十页，编辑于2023年，星期五微程序控制器原理微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR第四页，共五十页，编辑于2023年，星期五微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR1.主要部件（1）控制存储器CM功能：存放微程序。CM属于CPU，不属于主存储器。微程序控制器原理第五页，共五十页，编辑于2023年，星期五（2）微指令寄存器µIR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

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码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六页，共五十页，编辑于2023年，星期五（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

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码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七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2.工作过程

微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR取指微指令（1）取机器指令CM取指微指令µIR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

译码器微命令序列微程序控制器原理第八页，共五十页，编辑于2023年，星期五（2）转微程序入口IR操作码微地址形成电路入口µAR微命令字段CM首条微指令微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码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µIRµIR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程序控制器原理第九页，共五十页，编辑于2023年，星期五微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM

译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR（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µAR

微地址形成电路控制存储器CM后续微指令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十页，共五十页，编辑于2023年，星期五（5）执行后续微指令同（3）微地址形成电路

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PC微地址寄存器

µAR控制存储器CM译码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)。微程序控制器原理第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五微操作信号PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+1共15个微操作信号14012345678910111213第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP译码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第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP译码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第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五微指令的基本结构举例此格式中，后续微指令地址由顺序控制字段的6位信息决定。其中（20-23）4位用来直接给出下一条微指令的地址，（18，19）两位作为判别测试标志。=0，表示不进行测试，直接按第20-23位给出的地址取下一条微指令；第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五微指令的基本结构举例当第18或19位为1，表示要进行P1或P2的判别测试，根据测试结果，需要对第20-23位的某一位或几位进行修改，然后按修改后的地址取下一条微指令。第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期五微程序控制器的组成框图第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五•指令的OP与微程序入口的可能映射方式及比较

OP就是指令微程序的入口地址(或高几位)010001000111001OP01000..10001..11001第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五CPU周期与微指令周期的关系微指令周期：读出微指令到执行完该条微指令的时间在串行方式的微程序控制器中:微指令周期=读出微指令的时间+执行该条微指令的时间为了保持整个机器控制信号的同步，可将一个微指令周期设计成与CPU周期时间相等。第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五CPU周期与微指令周期的关系第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五机器指令与微指令的关系一条机器指令对应一段微程序，由微指令解释执行机器指令与内存M有关，微指令与控制存储器CM有关每个CPU周期对应一条微指令第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五微指令格式水平型微指令垂直型微指令混合型微指令第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五（1）垂直型微指令优点：一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。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。（2）水平型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作。优点：缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。微程序短，执行速度快。第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五（3）混合型微指令微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快。在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五•水平型微指令和垂直型微指令的比较水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则比较差。b.水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行执行一条指令的时间长。c.由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字较长，微程序短的特点；垂直型微指令则相反，微指令短而微程序长。第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五微命令编码方法(如何表示微操作)（1）直接控制法微命令按位给出。不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。（微指令长，占CM容量大）。微指令中通常只有个别位采用直接控制法。如何确定微指令的结构，是微程序设计的关键。第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期五•操作字段的每一位表示一个微命令•优点:简单、直观，输出直接用于控制•缺点:微指令字长、不利于减少控存容量第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五（2）分段直接编译法（单重定义编码）微命令由字段编码直接给出（显式编码）。微命令分组原则：同类操作中互斥的微命令放同一字段。不能同时出现第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五•把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输出将作为操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。译码译码译码译码字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五操作唯一；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

BR、CD、ER、CD、FAIBI33000不发命令010CA100EA001RA011DAAI：000不发命令010CB100FB001RB011DBBI：一条微指令能同时提供若干微命令，便于组织各种操作。编码较简单；第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五微操作是计算机中最基本的操作，由于数据路、逻辑功能的关系，微操作可以分为：

•相容性的微操作:能同时并行执行的微操作

•相斥性的微操作:不能同时并行执行的微操作第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五图中相斥性的微操作有：(+、–

、M)(4、6、8)(5、7、9)图中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)与(5、7、9)两组中各取一个任意组合第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五微操作信号PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信号MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五（3）分段间接编译法（多重定义编码，隐式编码）例.微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。C=

CAa)设置解释位或解释字段解释位1（A为某类命令）0（A为常数/另一类微命令）第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五（3）分段间接编译法（多重定义编码，隐式编码）b)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。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)全加器运算方式控制C=0

QC151617C=1QC’JCC’151617通道专用操作方式控制第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五（4）其他编码方法a)微指令译码与机器指令译码复合控制例.机器指令寄存器号寄存器传A微指令译码器译码器001RA

R1A门第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期五b)微地址参与解释004微地址微指令取指标志变址标志01123例DJS180系列26个局部性微命令（4）其他编码方法第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五微地址形成方式微程序入口地址的形成后续微地址的形成增量方式（计数器方式）

后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生

2）断定方式（直接给定和测试断定相结合形成微地址）第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五3)

多路转移方式：

一条微指令具有多个转移分支的能力。•

取指微指令执行后，下一条微指令由指令操作OP指定•

当微程序不出现分支时，直接由微指令的顺序控制字段给出下一条微指令的地址。•

当出现转移时，由判别测试字段和状态条件来修改顺序控制的某些位来实现多路分支。顺序控制字段该信息有n位，微程序就有2n路转移第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五例.机器指令1

0F(8位)入口地址=000FHCM机器指令2

10(8位)入口地址=0010H000F0010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页第四