第五章控制器原理與CPU組織—5.5微程序控制器原理

1、 245.5.2 微程序控制器組成原理微程序控制器組成原理5.5 微程序控制器原理微程序控制器原理 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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IR1.1.主要部件主要部件（1 1）控制存儲器）控制存儲器CMCM功能：功能：存放微程序存放微程序。CMCM屬于屬于CPUCPU，不屬于主存儲器。不屬于主存儲器。55.5 微程序控制器原理微程序控制器原理（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IR功能：功能： 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器

2、微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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存放現(xiàn)行微指令存放現(xiàn)行微指令。微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段：微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。提供微地址的給定部分。( (微操作控制字段微操作控制字段) )( (順序控制字段順序控制字段) )65.5 微程序控制器原理微程序控制器原理（3 3）微地址形成電路）微地址形成電路功能：功能： 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控

3、制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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提供兩類微地址。提供兩類微地址。微程序入口地址：微程序入口地址：由機(jī)器指令由機(jī)器指令操作碼操作碼形成。形成。后續(xù)微地址：后續(xù)微地址：由由微地址字段微地址字段、現(xiàn)行微地現(xiàn)行微地址址、運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)等形成。等形成。75.5 微程序控制器原理微程序控制器原理2.2.工作過程工作過程 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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（1 1）取機(jī)

4、器指令）取機(jī)器指令CMCM取指微指令取指微指令I(lǐng)RIR控制存儲器控制存儲器 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 譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列 IR微命令字段微命令字段譯碼器譯碼器控制存儲器控制存儲器微命令微命令主存主存機(jī)器指令機(jī)器指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IRIR 譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列85.5 微程序控制器原理微程序控制器原理（2 2）轉(zhuǎn)微程序入口）轉(zhuǎn)微程序入口IRIR操作碼操作碼微地址形微地址形成電路成電路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首條微指令首條微指令 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存

5、器微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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儲器控制存儲器 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 譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列 IR控制存儲器控制存儲器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 譯碼器譯碼器微命令序列微命令序列 微地址微地址形成電路形成電路 IR微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成電路形成電路控制存儲器控制存儲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（3 3）執(zhí)行首條微指令）執(zhí)行首條微指令控制存儲器控制存儲

6、器 譯碼器譯碼器IRIRIRIR譯碼器譯碼器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令序列微命令序列微命令微命令操作部件操作部件95.5 微程序控制器原理微程序控制器原理 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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（4 4）取后續(xù)微指令）取后續(xù)微指令微地址字段微地址字段現(xiàn)行微地址現(xiàn)行微地址運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)微地址形微地址形成電路成電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 微地址微地址形成電路形成電路微命令字段微命令

7、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后續(xù)微地址后續(xù)微地址ARAR 微地址微地址形成電路形成電路控制存儲器控制存儲器CMCM后續(xù)微指令后續(xù)微指令I(lǐng)RIR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105.5 微程序控制器原理微程序控制器原理（5 5）執(zhí)行后續(xù)微指令）執(zhí)行后續(xù)微指令同（同（3 3） 微地址微地址形成電路形成電路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存儲器控制存儲器CM 譯碼器譯碼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

8、址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成電路形成電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 微地址微地址形成電路形成電路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（6 6）返回）返回微程序執(zhí)行完，返回微程序執(zhí)行完，返回CMCM ( (存放存放取指微指令取指微指令的的固定單元固定單元) )。115.5 微程序控制器原理微程序控制器原理微程序控制器的組成框圖微程序控制器的組成框圖指令譯碼指令譯碼控制存儲器控制存儲器控制字段控制字段 下址下址微程序控制器的工作原理圖微程序控制器的工作原理圖指令寄存器指令寄存器IRIR形

9、成本條指令的形成本條指令的微程序入口地址微程序入口地址微指令寄存器微指令寄存器125.5.3 微程序舉例微程序舉例5.5 微程序控制器原理微程序控制器原理5.5 微程序控制器原理微程序控制器原理 微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作過程微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作過程000 000 000 000 11111 10 0000010 001 001 001 00000 00 0000000000011010 010 100 100 100 00000 00 10011001 010 001 001 100 00000 01 0010控制存儲器控制存儲器取指取指R2R3R2R2+R

10、3R2R1+R2R2.（3 3）混合型微指令）混合型微指令微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。速度加快。在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行操作。操作。例例. .長城長城203203微指令微指令 AI BI ZO AOP MOP KK STAI BI ZO AOP MOP KK ST 3 3 3 3 4 4 4運(yùn)算器運(yùn)算器輸入控輸入控制制運(yùn)算器運(yùn)算器輸出控輸出控制制操作操作類型類型控制控制訪訪M M、I/OI/O控控制制常數(shù)常數(shù)輔助輔助操作操作17水平型微指令和垂直型微指令的比較水平型微指令和垂直型微指令

11、的比較如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，是微程如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，是微程序設(shè)計的關(guān)鍵。序設(shè)計的關(guān)鍵。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LDLA LDR1 LDPC BUS IR(A) WE P2 下下 址址 L R0 LDLB LDR0 PC1 LDIR RD LDAR LDDR P1 控控制制字字段段 順順序序控控制制 L R1 L R2 bus L L bus bus BUS BUS bus BUS ALU BUS PC BUS DR DR(D) BUS 19（2 2）分

12、段直接編譯法）分段直接編譯法 （單重定義編碼）（單重定義編碼）例例. .對加法器輸入端進(jìn)行控制。對加法器輸入端進(jìn)行控制。微命令由字段編碼直接給出微命令由字段編碼直接給出（顯式編碼）（顯式編碼）。000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令微指令中設(shè)置微指令中設(shè)置AIAI字段，控制字段，控制加法器的輸入選擇。加法器的輸入選擇。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、FAIAI3010 C A010 C A100 F B100 F B001 R A001 R A010 C A010 C A011 D B011 D B011 D B011 D B？微命令分組原則：微命令分組原則：同類操作中同類操作中互斥互斥

13、的的微命令放同一字段。微命令放同一字段。不能同時出現(xiàn)不能同時出現(xiàn)CD20操作唯一；操作唯一；加法器加法器A A輸入端的控制命令放輸入端的控制命令放AIAI字段，字段，B B輸入端的控制命令輸入端的控制命令放放BIBI字段。字段。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、F000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令010 C A010 C A100 E A100 E A001 R A001 R A011 D A011 D ACDAI BIAI BI3 3010 C A010 C A000 000 不發(fā)命令不發(fā)命令010 C B010 C B100 F B100 F B001 R B001 R B011

14、D B011 D B011 D B011 D BAIAI：BIBI： 一條微指令能同時一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。提供若干微命令，便于組織各種操作。 編碼較簡單；編碼較簡單；（3 3）分段間接編譯法）分段間接編譯法 （多重定義編碼，隱式編碼）（多重定義編碼，隱式編碼）例例. . 微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。C C = C AC A 1) 1) 設(shè)置解釋位或解釋字段設(shè)置解釋位或解釋字段解釋位解釋位1 1 A A為某類命令為某類命令0 0 A A為常數(shù)為常數(shù)/ /另一類微另一類微 命令命令2) 2) 分類編譯分類編譯按功

15、能類型將微指令分類，分別安排各類微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(shè)置區(qū)分標(biāo)志。指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。例例.DJS-220 .DJS-220 微指令分兩類。微指令分兩類。 21（4 4）其他編碼方法）其他編碼方法微指令微指令CPUCPU方式方式( (觸發(fā)器觸發(fā)器C=0)C=0)I/OI/O方式方式( (觸發(fā)器觸發(fā)器C=1)C=1)1) 1) 微指令譯碼與機(jī)器指令譯碼復(fù)合控制微指令譯碼與機(jī)器指令譯碼復(fù)合控制全加器運(yùn)算方式控制全加器運(yùn)算方式控制C = 0 C = 0 QC QC15 16 17C = 1 C = 1 QCQC JCCJCC15 16 17通

16、道專用操作方式控制通道專用操作方式控制例例. .機(jī)器指令機(jī)器指令 寄存器號寄存器號 寄存器傳寄存器傳A微指令微指令譯碼器譯碼器譯碼器譯碼器001001R AR A R1 A A門門222) 2) 微地址參與解釋微地址參與解釋004004微地址微地址微指令微指令 取指標(biāo)志取指標(biāo)志 變址標(biāo)志變址標(biāo)志 0110115.5 微程序控制器原理微程序控制器原理23例例 DJS180DJS180系列系列 2626個局部性微命令個局部性微命令 后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個增量來產(chǎn)生后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個增量來產(chǎn)生 AR= PC+1【例例】微地址寄存器有微地址寄存器有6位位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其

17、內(nèi)容時，可通當(dāng)需要修改其內(nèi)容時，可通過某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端過某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況：?，F(xiàn)有三種情況：(1)執(zhí)行執(zhí)行“取指取指”微指令后，微程序按微指令后，微程序按IR的的OP字段字段(IR3-IR0)進(jìn)行進(jìn)行16路分支；路分支；(2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時，按進(jìn)位標(biāo)志執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時，按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行的狀態(tài)進(jìn)行2路分支路分支(3)執(zhí)行控制臺指令微程序時，按執(zhí)行控制臺指令微程序時，按IR4，IR5的狀態(tài)進(jìn)行的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。路分支。請按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計微地址轉(zhuǎn)移邏輯。請按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計微地址轉(zhuǎn)移邏輯?！窘饨狻堪此o設(shè)計條件，微程序有三種判別測試

18、，分別為按所給設(shè)計條件，微程序有三種判別測試，分別為P1，P2，P3。 由于修改由于修改A5-A0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下：內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下：(1)用用P1和和IR3-IR0修改修改A3-A0；(2)用用P2和和C修改修改A0；(3)用用P3和和IR5，IR4修改修改A5，A4。另外還要考慮時間因素另外還要考慮時間因素T4(假設(shè)假設(shè)CPU周期最后一個節(jié)拍脈沖周期最后一個節(jié)拍脈沖)，故轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式，故轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下：如下： A5=P3IR5T4 A4=P3IR4T4 A3=P1IR3T4 A2=P1IR2T4A1=P1IR1T4 A0=P1IR0T4+P2CT4 25例例. . 機(jī)器指令機(jī)器指