第5章控制器原理

1、2022-7-71第第5 5章章 控制器控制器2022-7-72本章學(xué)習(xí)內(nèi)容5.1 5.1 控制器的功能與組成控制器的功能與組成5.2 5.2 控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制方式與時(shí)序系統(tǒng)5.3 5.3 微程序控制器及微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序控制器及微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.4 5.4 實(shí)驗(yàn)用模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)5.5 5.5 組合邏輯控制器組合邏輯控制器5.6 5.6 流水線(xiàn)技術(shù)流水線(xiàn)技術(shù)2022-7-735.1 5.1 控制器的功能與組成控制器的功能與組成5.1.1 5.1.1 控制器的功能控制器的功能 控制器的基本功能：控制器的基本功能：控制指令的執(zhí)行控制指令的執(zhí)行。 具體地說(shuō)，就是從

2、主存中具體地說(shuō)，就是從主存中讀出讀出指令，并對(duì)指令，并對(duì)指令加以指令加以分析分析，產(chǎn)生一系列控制序列，控，產(chǎn)生一系列控制序列，控制系統(tǒng)中相應(yīng)的部件完成該指令所定義的制系統(tǒng)中相應(yīng)的部件完成該指令所定義的功能（功能（執(zhí)行指令執(zhí)行指令）。一條指令執(zhí)行完畢，）。一條指令執(zhí)行完畢，根據(jù)指令流向，執(zhí)行下一條指令，如此反根據(jù)指令流向，執(zhí)行下一條指令，如此反復(fù)。復(fù)。 2022-7-74 從本質(zhì)上看，控制指令的執(zhí)行就是將從本質(zhì)上看，控制指令的執(zhí)行就是將指令指令轉(zhuǎn)換成與指令功能對(duì)應(yīng)的微操作序列轉(zhuǎn)換成與指令功能對(duì)應(yīng)的微操作序列。 2022-7-75 除此以外，除此以外，控制器必須具有檢測(cè)和處理控制器必須具有檢測(cè)和處

3、理異常情況（如運(yùn)算溢出）和特殊請(qǐng)求異常情況（如運(yùn)算溢出）和特殊請(qǐng)求（如打印機(jī)請(qǐng)求傳送打印字符）的功能。（如打印機(jī)請(qǐng)求傳送打印字符）的功能。檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)是通過(guò)中斷機(jī)構(gòu)中斷機(jī)構(gòu)（中斷控制邏輯）（中斷控制邏輯）實(shí)現(xiàn)的，處理過(guò)程其本質(zhì)是執(zhí)行實(shí)現(xiàn)的，處理過(guò)程其本質(zhì)是執(zhí)行中斷處中斷處理程序理程序的過(guò)程，即執(zhí)行指令的過(guò)程。的過(guò)程，即執(zhí)行指令的過(guò)程。2022-7-765.1.2 5.1.2 控制器的組成控制器的組成控制器由以下控制器由以下六個(gè)部分六個(gè)部分組成組成（1 1）指令部件）指令部件（2 2）時(shí)序控制部件）時(shí)序控制部件（3 3）程序狀態(tài)寄存器）程序狀態(tài)寄存器（4 4）微操作控制信號(hào)形成部件）微操作控制

4、信號(hào)形成部件（5 5）中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)）中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)）（6 6）控制臺(tái)）控制臺(tái)2022-7-77指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。指令。程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PC PC （指令計(jì)數(shù)器、指令地（指令計(jì)數(shù)器、指令地址寄存器址寄存器） 程序計(jì)數(shù)器用于保證程序按規(guī)定的序列程序計(jì)數(shù)器用于保證程序按規(guī)定的序列正確運(yùn)行，并提供將要執(zhí)行指令的指令正確運(yùn)行，并提供將要執(zhí)行指令的指令地址。地址。（1 1）指令部件）指令部件2022-7-78指令寄存器指令寄存器 IRIR指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。指令譯碼器

5、指令譯碼器 IDID指令譯碼器是指令分析部件，對(duì)指令寄存器指令譯碼器是指令分析部件，對(duì)指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析，產(chǎn)生相應(yīng)中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位，提供給微操作控制信號(hào)操作的控制電位，提供給微操作控制信號(hào)形成部件。形成部件。2022-7-79 地址形成部件地址形成部件 根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，形成根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，形成操作數(shù)有效地址。操作數(shù)有效地址。 2022-7-710（2 2）時(shí)序控制部件）時(shí)序控制部件 時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件：用于產(chǎn)生一系列時(shí)序信號(hào)，：用于產(chǎn)生一系列時(shí)序信號(hào)，為各個(gè)微操作定時(shí)，以保證各個(gè)微操作的執(zhí)為各個(gè)微操作定時(shí)，以

6、保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序行順序。 微操作微操作：機(jī)器最簡(jiǎn)單的基本操作：機(jī)器最簡(jiǎn)單的基本操作 從宏觀(guān)從宏觀(guān)( (即程序控制即程序控制) )上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程實(shí)質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過(guò)程實(shí)質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過(guò)程。程。 從微觀(guān)從微觀(guān)( (即指令控制即指令控制) )上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程是微操作序列即一個(gè)個(gè)程是微操作序列即一個(gè)個(gè)( (或一組組或一組組) )微操作微操作的執(zhí)行過(guò)程。的執(zhí)行過(guò)程。2022-7-711（3 3）程序狀態(tài)寄存器）程序狀態(tài)寄存器 程序狀態(tài)寄存器：用于存放程序的工作狀程序狀態(tài)寄存器：用于存放程序的工作狀態(tài)態(tài)( (如

7、管態(tài)、目態(tài)等如管態(tài)、目態(tài)等) )和指令執(zhí)行的結(jié)果和指令執(zhí)行的結(jié)果特征特征( (如結(jié)果為零、結(jié)果溢出等如結(jié)果為零、結(jié)果溢出等) )，把它，把它所存放的內(nèi)容稱(chēng)為程序狀態(tài)字所存放的內(nèi)容稱(chēng)為程序狀態(tài)字(PSW)(PSW)。PSWPSW表明了系統(tǒng)的基本狀態(tài)，是控制程序表明了系統(tǒng)的基本狀態(tài)，是控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機(jī)器，執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機(jī)器，PSWPSW的格的格式及內(nèi)容不完全相同。式及內(nèi)容不完全相同。2022-7-712 例：例：8086 CPU8086 CPU中的中的PSWPSW的格式的格式 CFCF：進(jìn)位：進(jìn)位 PFPF：奇偶：奇偶 AFAF：半進(jìn)：半進(jìn)位位 ZFZF：結(jié)果為：結(jié)果為0

8、SF0 SF：符號(hào)：符號(hào) TFTF：?jiǎn)尾剑簡(jiǎn)尾?IFIF：中斷允許：中斷允許 DFDF：地址增：地址增/ /減量減量 OFOF：溢出：溢出2022-7-713 微操作控制信號(hào)形成部件微操作控制信號(hào)形成部件：根據(jù)指令部件提供：根據(jù)指令部件提供的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序信號(hào)以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生各指令的微操信號(hào)以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生各指令的微操作控制信號(hào)作控制信號(hào)。 不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微操作控制信號(hào)序列。每條指令都有自己對(duì)應(yīng)的操作控制信號(hào)序列。每條指令都有自己對(duì)應(yīng)的微操作序列?？刂?/p>

9、器必須根據(jù)不同的指令，在微操作序列?？刂破鞅仨毟鶕?jù)不同的指令，在不同的時(shí)間，產(chǎn)生并發(fā)出不同的微操作控制信不同的時(shí)間，產(chǎn)生并發(fā)出不同的微操作控制信號(hào)，控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定號(hào)，控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的任務(wù)。的任務(wù)。（4 4）微操作控制信號(hào)形成部件）微操作控制信號(hào)形成部件2022-7-714（5 5）中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)）中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)） 用于實(shí)現(xiàn)異常情況和特殊請(qǐng)求的檢測(cè)與處用于實(shí)現(xiàn)異常情況和特殊請(qǐng)求的檢測(cè)與處理。理。2022-7-715 控制臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的通信聯(lián)系，如控制臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的通信聯(lián)系，如啟動(dòng)或停止機(jī)器的運(yùn)行、監(jiān)視程序運(yùn)行過(guò)程、啟

10、動(dòng)或停止機(jī)器的運(yùn)行、監(jiān)視程序運(yùn)行過(guò)程、對(duì)程序進(jìn)行必要的修改或干預(yù)等。對(duì)程序進(jìn)行必要的修改或干預(yù)等。 早期有硬件控制臺(tái)，用于設(shè)置地址和指令?，F(xiàn)早期有硬件控制臺(tái)，用于設(shè)置地址和指令。現(xiàn)在，在大型機(jī)中有軟件控制臺(tái)。通過(guò)控制臺(tái)命在，在大型機(jī)中有軟件控制臺(tái)。通過(guò)控制臺(tái)命令，控制機(jī)器的啟停，干預(yù)機(jī)器的工作。令，控制機(jī)器的啟停，干預(yù)機(jī)器的工作。（6 6）控制臺(tái)）控制臺(tái)2022-7-716 控制器的組成方式主要是指微操作控制信控制器的組成方式主要是指微操作控制信號(hào)形成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作號(hào)形成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)。 根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信

11、號(hào)的方式不同，控制器可分為制器可分為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。三種。5.1.3 5.1.3 控制器的組成方式控制器的組成方式2022-7-717（1 1）組合邏輯型）組合邏輯型 組合邏輯控制器組合邏輯控制器是根據(jù)控制要求和狀態(tài)，采是根據(jù)控制要求和狀態(tài)，采用組合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其微操作信號(hào)發(fā)用組合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其微操作信號(hào)發(fā)生器是由門(mén)電路組成的復(fù)雜樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。生器是由門(mén)電路組成的復(fù)雜樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。 組合邏輯組合邏輯控制器也稱(chēng)為硬聯(lián)邏輯或硬布線(xiàn)控制器也稱(chēng)為硬聯(lián)邏輯或硬布線(xiàn)邏輯。邏輯。 組合邏輯組合邏輯控制器的設(shè)

12、計(jì)目標(biāo)：使用最少器控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)：使用最少器件數(shù)和取得最高操作速度。件數(shù)和取得最高操作速度。2022-7-718 優(yōu)點(diǎn)：速度快優(yōu)點(diǎn)：速度快 缺點(diǎn)：微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，缺點(diǎn)：微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后，要計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后，要想增加新的控制功能是不可能的。想增加新的控制功能是不可能的。2022-7-719（2 2）存儲(chǔ)邏輯型）存儲(chǔ)邏輯型 存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型控制器稱(chēng)為控制器稱(chēng)為微程序控制器微程序控制器。它是。它是采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯

13、型控制器的實(shí)現(xiàn)方法：控制器的實(shí)現(xiàn)方法： 把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序存入控制存儲(chǔ)器中。執(zhí)行指成為一段微程序存入控制存儲(chǔ)器中。執(zhí)行指令時(shí)，讀出控存中的微指令，由微指令產(chǎn)生令時(shí)，讀出控存中的微指令，由微指令產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。微操作控制信號(hào)。2022-7-720 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修以及更改、擴(kuò)充指令方便的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，指令方便的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前控制器的主流。已成為當(dāng)前控制器的主流。 缺點(diǎn)：由于它增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，缺點(diǎn)：由于它增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，所以指

14、令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器所以指令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。慢。2022-7-721（3 3）組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型）組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型控制器稱(chēng)為組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型控制器稱(chēng)為PLAPLA控制器，它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想控制器，它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 PLAPLA控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制器，但它的輸出程序可編的，某一微操器，但它的輸出程序可編的，某一微操作控制信號(hào)由作控制信號(hào)由PLAPLA的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。 PLAPLA控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技控制器是組合邏輯

15、技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點(diǎn)，術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點(diǎn)，是一種較有前途的方法。是一種較有前途的方法。 2022-7-722 三種類(lèi)型控制器的根本區(qū)別在于微操作三種類(lèi)型控制器的根本區(qū)別在于微操作信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同，而控制器信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同，而控制器中的其他部分基本上是大同小異的。中的其他部分基本上是大同小異的。2022-7-723微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器2022-7-724 5.2 5.2 控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 5.2.1 5.2.1 控制方式控制方式 控制器的控制方式需解決的問(wèn)題是：控制器的控制方式需解決的問(wèn)題是

16、： 如何在時(shí)間上對(duì)各種微操作信號(hào)加以控如何在時(shí)間上對(duì)各種微操作信號(hào)加以控制。制。2022-7-725控制方式可分為：控制方式可分為：（1 1）同步控制）同步控制（2 2）異步控制）異步控制（3 3）聯(lián)合控制）聯(lián)合控制2022-7-726（1 1）同步控制方式）同步控制方式 同步控制方式：同步控制方式：任何指令的運(yùn)行或指令中各任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行，均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)個(gè)微操作的執(zhí)行，均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。 即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間內(nèi)完成。的時(shí)間內(nèi)完成。 在在同步控制方式下，同

17、步控制方式下，每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著對(duì)應(yīng)操作的完成，隨即開(kāi)始執(zhí)行后續(xù)意味著對(duì)應(yīng)操作的完成，隨即開(kāi)始執(zhí)行后續(xù)的微操作或下條指令的運(yùn)行的微操作或下條指令的運(yùn)行。2022-7-727 典型的同步控制方式是：典型的同步控制方式是： 以微操作序列最長(zhǎng)的指令和執(zhí)行時(shí)間最以微操作序列最長(zhǎng)的指令和執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的微操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過(guò)長(zhǎng)的微操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段（稱(chēng)為程劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段（稱(chēng)為周期）或若干個(gè)時(shí)間區(qū)間（稱(chēng)為節(jié)拍），周期）或若干個(gè)時(shí)間區(qū)間（稱(chēng)為節(jié)拍），采用完全統(tǒng)一的周期（或節(jié)拍）控制各采用完全統(tǒng)一的周期（或節(jié)拍）控制各條指令的

18、執(zhí)行。條指令的執(zhí)行。2022-7-728 優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，控制方便優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，控制方便 缺點(diǎn)：浪費(fèi)時(shí)間。缺點(diǎn)：浪費(fèi)時(shí)間。 因?yàn)閷?duì)比較簡(jiǎn)單的指令，將有很多節(jié)拍因?yàn)閷?duì)比較簡(jiǎn)單的指令，將有很多節(jié)拍是不用的，處于等待。所以，在實(shí)際應(yīng)是不用的，處于等待。所以，在實(shí)際應(yīng)用中都不采用這種典型的同步控制方式，用中都不采用這種典型的同步控制方式，而是采用某些折衷的方案。而是采用某些折衷的方案。2022-7-729（2 2）異步控制方式）異步控制方式 異步控制方式：沒(méi)有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用異步控制方式：沒(méi)有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用問(wèn)答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答問(wèn)答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答

19、信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。 該方式不再有統(tǒng)一的周期、節(jié)拍，各個(gè)操作該方式不再有統(tǒng)一的周期、節(jié)拍，各個(gè)操作之間采用應(yīng)答方式銜接，前一操作完成后給之間采用應(yīng)答方式銜接，前一操作完成后給出回答信號(hào)，啟動(dòng)下一個(gè)操作。出回答信號(hào)，啟動(dòng)下一個(gè)操作。2022-7-730 這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實(shí)際這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實(shí)際需要而分配時(shí)間，所以沒(méi)有時(shí)間上的浪需要而分配時(shí)間，所以沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，效率高。但設(shè)計(jì)復(fù)雜且費(fèi)設(shè)備。費(fèi)，效率高。但設(shè)計(jì)復(fù)雜且費(fèi)設(shè)備。2022-7-731（3 3）聯(lián)合控制方式）聯(lián)合控制方式 聯(lián)合控制方式：聯(lián)合控制方式：將同步控制和異步控制將同步

20、控制和異步控制相結(jié)合。相結(jié)合。 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式通常的設(shè)計(jì)思想：在功能通常的設(shè)計(jì)思想：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式；在功能部件之間采用異主的控制方式；在功能部件之間采用異步方式。步方式。 實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒(méi)有完全采用實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒(méi)有完全采用同步或完全采用異步的控制方式，大多同步或完全采用異步的控制方式，大多數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。2022-7-7325.2.2 5.2.2 時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng) 通常，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)同步控制通常，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)同步控制方式。方式。1 1指令周期與機(jī)器

21、周期指令周期與機(jī)器周期 指令周期指令周期：從取指令、分析指令到執(zhí)行完：從取指令、分析指令到執(zhí)行完一條指令所需的全部時(shí)間。一條指令所需的全部時(shí)間。 由于各種指令的操作功能不同，繁簡(jiǎn)程度由于各種指令的操作功能不同，繁簡(jiǎn)程度不同，因此各種指令的指令周期也不盡相不同，因此各種指令的指令周期也不盡相同。同。2022-7-733 機(jī)器周期機(jī)器周期（CPUCPU周期周期）：指令周期中的某）：指令周期中的某一相對(duì)獨(dú)立的工作階段所需的時(shí)間。一相對(duì)獨(dú)立的工作階段所需的時(shí)間。 一條指令的指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期一條指令的指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期所組成，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操所組成，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。

22、作。 一般機(jī)器的一般機(jī)器的CPUCPU周期有取指周期、取數(shù)周周期有取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期等。期、執(zhí)行周期等。2022-7-734 節(jié)拍節(jié)拍：把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)：把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，每一時(shí)間區(qū)間稱(chēng)為一個(gè)間區(qū)間，每一時(shí)間區(qū)間稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍節(jié)拍。一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行。或幾個(gè)微操作的執(zhí)行。2 2節(jié)拍節(jié)拍2022-7-735 節(jié)拍提供了一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間分節(jié)拍提供了一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間分段，但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)段，但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)格的定時(shí)脈沖，以確定在哪一時(shí)刻打入。格的定時(shí)脈沖，

23、以確定在哪一時(shí)刻打入。節(jié)拍的切換，也需要嚴(yán)格的同步定時(shí)。節(jié)拍的切換，也需要嚴(yán)格的同步定時(shí)。所以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有時(shí)還需要設(shè)置一所以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有時(shí)還需要設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存器的復(fù)位個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。和接收數(shù)據(jù)等。 脈沖脈沖：一個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個(gè)或幾個(gè)工：一個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖。作脈沖。3. 3. 脈沖（定時(shí)脈沖）脈沖（定時(shí)脈沖）2022-7-736 周期、節(jié)拍、脈沖周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們之間關(guān)系如下圖所示。圖中包括兩個(gè)機(jī)器周期之間關(guān)系如下圖所示。圖中包括兩個(gè)機(jī)器周期M M1 1、M M2 2，每個(gè)周

24、期包含四個(gè)節(jié)拍，每個(gè)周期包含四個(gè)節(jié)拍W W0 0W W3 3，每個(gè)，每個(gè)節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)脈沖節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)脈沖P P。2022-7-737 微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)有所不同，稱(chēng)之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。下圖所有所不同，稱(chēng)之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。下圖所示，一個(gè)指令周期包含三個(gè)機(jī)器周期：取指周示，一個(gè)指令周期包含三個(gè)機(jī)器周期：取指周期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫(xiě)周期，三個(gè)周期期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫(xiě)周期，三個(gè)周期中分別包含中分別包含4 4個(gè)、個(gè)、3 3個(gè)、個(gè)、3 3個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。2022-7-7385.3 5.3 微程序控制器及微程序控制器及微程

25、序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 5.3.1 5.3.1 基本概念基本概念 5.3.2 5.3.2 微程序控制器的組成及工作過(guò)程微程序控制器的組成及工作過(guò)程 5.3.3 5.3.3 微程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題微程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題2022-7-7395.3.1 5.3.1 基本概念基本概念 微命令微命令 直接作用于部件或控制門(mén)電直接作用于部件或控制門(mén)電路的控制命令。是構(gòu)成控制信號(hào)序列的路的控制命令。是構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。最小單位。 微操作微操作 由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本的操作。的操作。2022-7-740 微指令微指令 用以產(chǎn)生一組微命令，控制完成用以產(chǎn)生一組微命令，控

26、制完成一組微操作的二進(jìn)制編碼字稱(chēng)為微指令。一組微操作的二進(jìn)制編碼字稱(chēng)為微指令。 微程序微程序：一系列微指令的有序集合稱(chēng)為：一系列微指令的有序集合稱(chēng)為微程序。微程序。2022-7-741程序、指令、微程序、微指令、微命令、微程序、指令、微程序、微指令、微命令、微操作的關(guān)系操作的關(guān)系nn22n2 n21111微微程程序序指指令令微微程程序序指指令令微微指指令令微微指指令令完完成成一一組組微微操操作作）微微命命令令、微微命命令令（微微命命令令微微指指令令微微程程序序指指令令程程序序2022-7-742 一段程序由若干條指令構(gòu)成；一段程序由若干條指令構(gòu)成； 每一條指令對(duì)應(yīng)一段微程序；每一條指令對(duì)應(yīng)一段

27、微程序； 一段微程序由若干條微指令構(gòu)成；一段微程序由若干條微指令構(gòu)成； 一條微指令包含若干個(gè)微命令；一條微指令包含若干個(gè)微命令； 一個(gè)微命令對(duì)應(yīng)一個(gè)微操作。一個(gè)微命令對(duì)應(yīng)一個(gè)微操作。2022-7-743 微程序設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)定義的機(jī)器指微程序設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)定義的機(jī)器指令。其屬于硬件設(shè)計(jì)范疇；令。其屬于硬件設(shè)計(jì)范疇； 程序設(shè)計(jì)是利用機(jī)器指令編寫(xiě)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)是利用機(jī)器指令編寫(xiě)系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件，其屬于軟件設(shè)計(jì)范疇?；驊?yīng)用軟件，其屬于軟件設(shè)計(jì)范疇。2022-7-7445.3.2 5.3.2 微程序控制器的組成及其工作過(guò)程微程序控制器的組成及其工作過(guò)程2022-7-745微程序控制器的組成微程

28、序控制器的組成 控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CMCM：簡(jiǎn)稱(chēng)控存。控存的每個(gè)：簡(jiǎn)稱(chēng)控存。控存的每個(gè)單元存放一條微指令代碼。單元存放一條微指令代碼。 微指令寄存器微指令寄存器IRIR：存放從控存中讀取：存放從控存中讀取的微指令。的微指令。2022-7-746 微指令通常分為兩大字段：微指令通常分為兩大字段： 操作控制字段：操作控制字段：產(chǎn)生一組微命令，控制產(chǎn)生一組微命令，控制有關(guān)部件完成微指令所規(guī)定的微操作。有關(guān)部件完成微指令所規(guī)定的微操作。 地址（順序）控制字段：地址（順序）控制字段：指示下條微指指示下條微指令地址的形成方式或直接給出下條微指令地址的形成方式或直接給出下條微指令地址。令地址。2022-7

29、-747 微地址形成電路微地址形成電路：用于產(chǎn)生起始微地址：用于產(chǎn)生起始微地址和后繼微地址，保證微程序的連續(xù)執(zhí)行。和后繼微地址，保證微程序的連續(xù)執(zhí)行。 微地址寄存器微地址寄存器MARMAR：接受微地址形成：接受微地址形成電路送來(lái)的地址，為讀取微指令準(zhǔn)備好控電路送來(lái)的地址，為讀取微指令準(zhǔn)備好控存的地址。存的地址。2022-7-748微程序控制器的工作過(guò)程微程序控制器的工作過(guò)程 微程序控制器的工作過(guò)程實(shí)際上就是在微程序控微程序控制器的工作過(guò)程實(shí)際上就是在微程序控制器的控制下計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過(guò)程。制器的控制下計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過(guò)程。 啟動(dòng)取指令微程序啟動(dòng)取指令微程序 取指令的公共操作通常由一個(gè)

30、取指微程序來(lái)完成。取指令的公共操作通常由一個(gè)取指微程序來(lái)完成。 具體的執(zhí)行是：在機(jī)器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)將取指具體的執(zhí)行是：在機(jī)器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)將取指微程序的入口微地址送微程序的入口微地址送 MAR，并從，并從CM中讀出相中讀出相應(yīng)的微指令送入應(yīng)的微指令送入 IR。微指令的操作控制字段產(chǎn)。微指令的操作控制字段產(chǎn)生有關(guān)的微命令，用來(lái)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)取機(jī)器指生有關(guān)的微命令，用來(lái)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)取機(jī)器指令的公共操作。令的公共操作。2022-7-749 根據(jù)根據(jù)IRIR中的指令碼，通過(guò)微地址形成中的指令碼，通過(guò)微地址形成電路產(chǎn)生該指令的微程序的起始微地址，電路產(chǎn)生該指令的微程序的起始微地址，并送入并送入MA

31、RMAR中。中。 MAR MAR中的微地址經(jīng)譯碼、驅(qū)動(dòng)，從中的微地址經(jīng)譯碼、驅(qū)動(dòng)，從被選的控存單元中取出一條微指令并送被選的控存單元中取出一條微指令并送入入IRIR。 IR IR中的微指令的操作控制字段產(chǎn)生中的微指令的操作控制字段產(chǎn)生一組微命令并送往有關(guān)的功能部件，控一組微命令并送往有關(guān)的功能部件，控制其完成所規(guī)定的微操作。制其完成所規(guī)定的微操作。2022-7-750 IRIR中微指令的地址控制字段及有關(guān)中微指令的地址控制字段及有關(guān)狀態(tài)條件送往微地址形成電路，產(chǎn)生下?tīng)顟B(tài)條件送往微地址形成電路，產(chǎn)生下條微指令的地址，再去讀取并執(zhí)行下條條微指令的地址，再去讀取并執(zhí)行下條微指令。如此循環(huán)，直到一條機(jī)

32、器指令微指令。如此循環(huán)，直到一條機(jī)器指令的微程序全部執(zhí)行完畢。的微程序全部執(zhí)行完畢。2022-7-751執(zhí)行完一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序后又執(zhí)行完一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序后又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)取下回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)取下一條指令并執(zhí)行。如此周而復(fù)始，直到一條指令并執(zhí)行。如此周而復(fù)始，直到整個(gè)程序執(zhí)行完畢為止。整個(gè)程序執(zhí)行完畢為止。2022-7-7525.3.3 微程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題微程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題（1）微指令操作控制字段的編碼）微指令操作控制字段的編碼，如何，如何對(duì)微指令的操作控制字段進(jìn)行編碼來(lái)表對(duì)微指令的操作控制字段進(jìn)行編碼來(lái)表示各個(gè)微命令。示各個(gè)微命令。 （

33、2）微程序的尋址，即）微程序的尋址，即如何根據(jù)指令代如何根據(jù)指令代碼轉(zhuǎn)入到其對(duì)應(yīng)的碼轉(zhuǎn)入到其對(duì)應(yīng)的初始微地址，及后繼初始微地址，及后繼微地址尋址的各種方法微地址尋址的各種方法。2022-7-753（3）微程序設(shè)計(jì)方法。）微程序設(shè)計(jì)方法。下面將圍繞這三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論。下面將圍繞這三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論。2022-7-754通用的操作控制字段的編碼方法通用的操作控制字段的編碼方法 1 1直接控制法直接控制法（不譯法）（不譯法） 微指令操作控制字段的每一位都直接表示一微指令操作控制字段的每一位都直接表示一個(gè)微命令，該位為個(gè)微命令，該位為“1”1”，表示執(zhí)行這個(gè)微，表示執(zhí)行這個(gè)微命令，為命令，為“0”0”表

34、示不執(zhí)行該微命令。由于表示不執(zhí)行該微命令。由于這種方法不需譯碼，所以也稱(chēng)不譯法。這種方法不需譯碼，所以也稱(chēng)不譯法。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并行性強(qiáng)，操作速度快。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并行性強(qiáng)，操作速度快。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：微指令字太長(zhǎng)，信息效率低。微指令字太長(zhǎng)，信息效率低。2022-7-755 在這種方法中，有在這種方法中，有N N個(gè)微命令，操作控制個(gè)微命令，操作控制字段就需字段就需N N位。在實(shí)際機(jī)器中，微命令數(shù)位。在實(shí)際機(jī)器中，微命令數(shù)達(dá)幾百個(gè)，使微指令字長(zhǎng)達(dá)到難以接受的達(dá)幾百個(gè)，使微指令字長(zhǎng)達(dá)到難以接受的地步。同時(shí)在幾百個(gè)微命令中有很多是互地步。同時(shí)在幾百個(gè)微命令中有很多是互斥的，不允許同時(shí)出現(xiàn)的（斥的

35、，不允許同時(shí)出現(xiàn)的（如如R R0 0BUSBUS1 1，R R1 1BUSBUS1 1），將它們安排在同一條微指令），將它們安排在同一條微指令內(nèi)，只會(huì)使信息效率降低。內(nèi)，只會(huì)使信息效率降低。 因此在實(shí)際機(jī)器中，往往與其它方法混合因此在實(shí)際機(jī)器中，往往與其它方法混合使用，僅使用，僅部分位部分位采用直接控制采用直接控制法。法。2022-7-7562 2最短編碼最短編碼法法 將所有的微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼，每條微指將所有的微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼，每條微指令只定義一個(gè)微命令。若微命令總數(shù)為令只定義一個(gè)微命令。若微命令總數(shù)為N N，則最短編碼法中操作控制字段的長(zhǎng)度則最短編碼法中操作控制字段的長(zhǎng)度L L，應(yīng)滿(mǎn)足下

36、列關(guān)系：應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系： LlogLlog2 2N N優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：最短編碼法所得的微指令字長(zhǎng)最短。最短編碼法所得的微指令字長(zhǎng)最短。2022-7-757缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 要通過(guò)微命令譯碼器譯碼才能得到所需要通過(guò)微命令譯碼器譯碼才能得到所需的微命令。微命令越多，譯碼器就越復(fù)的微命令。微命令越多，譯碼器就越復(fù)雜；雜； 這種方法在某一時(shí)間只能產(chǎn)生一個(gè)微命這種方法在某一時(shí)間只能產(chǎn)生一個(gè)微命令，不能充分利用機(jī)器硬件所具有的并令，不能充分利用機(jī)器硬件所具有的并行性，指令執(zhí)行效率低。行性，指令執(zhí)行效率低。 所以這種方法很少獨(dú)立使用。所以這種方法很少獨(dú)立使用。2022-7-7583 3字段直接編碼字段直接編碼法法

37、將微指令操作控制字段劃分為若干個(gè)子字段，將微指令操作控制字段劃分為若干個(gè)子字段，每個(gè)子字段的所有微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼。每個(gè)子字段的所有微命令進(jìn)行統(tǒng)一編碼。 子字段的劃分原則：子字段的劃分原則： 把互斥的微命令（即不允許同時(shí)出現(xiàn)的把互斥的微命令（即不允許同時(shí)出現(xiàn)的微命令）劃分在同一字段內(nèi)，相容的（即允微命令）劃分在同一字段內(nèi)，相容的（即允許同時(shí)出現(xiàn)）微命令劃分在不同字段內(nèi)。許同時(shí)出現(xiàn)）微命令劃分在不同字段內(nèi)。 字段的劃分應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。字段的劃分應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。2022-7-759字段直接編碼法的微指令結(jié)構(gòu)字段直接編碼法的微指令結(jié)構(gòu)2022-7-760（2 2）微程序的尋址微程序的

38、尋址 微程序的尋址，即微程序的尋址，即如何根據(jù)指令代碼轉(zhuǎn)入如何根據(jù)指令代碼轉(zhuǎn)入到其對(duì)應(yīng)的到其對(duì)應(yīng)的初始微地址，及后繼微地址初始微地址，及后繼微地址尋址的各種方法尋址的各種方法。2022-7-761相關(guān)概念：相關(guān)概念： 微程序的初始微地址微程序的初始微地址（微程序的入口地（微程序的入口地址）：指令所對(duì)應(yīng)微程序的第一條微指址）：指令所對(duì)應(yīng)微程序的第一條微指令所在控制存儲(chǔ)器單元的地址。令所在控制存儲(chǔ)器單元的地址。 后繼微地址后繼微地址：后繼微指令所在控存單元：后繼微指令所在控存單元的地址的地址。2022-7-7621 1初始微地址的形成初始微地址的形成 機(jī)器指令從主存取到機(jī)器指令從主存取到IRIR以

39、后，要由機(jī)器以后，要由機(jī)器指令操作碼轉(zhuǎn)換為該指令所對(duì)應(yīng)的微程指令操作碼轉(zhuǎn)換為該指令所對(duì)應(yīng)的微程序入口地址，即形成初始微地址序入口地址，即形成初始微地址。2022-7-763初始微地址形成方式初始微地址形成方式 (1) (1) 一級(jí)功能轉(zhuǎn)移一級(jí)功能轉(zhuǎn)移 一級(jí)功能轉(zhuǎn)移一級(jí)功能轉(zhuǎn)移：根據(jù)指令操作碼，直接轉(zhuǎn)：根據(jù)指令操作碼，直接轉(zhuǎn)移到相應(yīng)微程序的入口，即指令操作碼移到相應(yīng)微程序的入口，即指令操作碼直直接參與形成接參與形成微程序的入口地址。微程序的入口地址。 當(dāng)指令操作碼的位置與位數(shù)均固定時(shí)，可當(dāng)指令操作碼的位置與位數(shù)均固定時(shí)，可直接用操作碼作為微地址的直接用操作碼作為微地址的低位低位。2022-7-7

40、64 例：模型機(jī)有例：模型機(jī)有1616條指令，操作碼對(duì)應(yīng)條指令，操作碼對(duì)應(yīng)IRIR的低的低4 4位，當(dāng)取出指令后，直接由位，當(dāng)取出指令后，直接由IRIR的低的低4 4位，作為微地址的低位，作為微地址的低4 4位。位。 一級(jí)功能轉(zhuǎn)移適用于指令操作碼的位置一級(jí)功能轉(zhuǎn)移適用于指令操作碼的位置和長(zhǎng)度比較規(guī)整的和固定的情況。和長(zhǎng)度比較規(guī)整的和固定的情況。2022-7-7652022-7-766(2) (2) 二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移 如果機(jī)器指令的操作碼的位數(shù)和位置不如果機(jī)器指令的操作碼的位數(shù)和位置不固定，則需采用二級(jí)功能轉(zhuǎn)移。固定，則需采用二級(jí)功能轉(zhuǎn)移。 二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移：先按指令類(lèi)型標(biāo)志轉(zhuǎn)移

41、，：先按指令類(lèi)型標(biāo)志轉(zhuǎn)移，以區(qū)分出哪一類(lèi)指令。在每類(lèi)指令中假以區(qū)分出哪一類(lèi)指令。在每類(lèi)指令中假定位置和位數(shù)是固定的，在第二級(jí)按操定位置和位數(shù)是固定的，在第二級(jí)按操作碼區(qū)分出具體是哪條指令，轉(zhuǎn)移到相作碼區(qū)分出具體是哪條指令，轉(zhuǎn)移到相應(yīng)微程序入口應(yīng)微程序入口。2022-7-767取指微程序取指微程序一級(jí)功能轉(zhuǎn)移一級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移DRDRADDSUB單數(shù)單數(shù)雙數(shù)雙數(shù)MOV二級(jí)功能轉(zhuǎn)移二級(jí)功能轉(zhuǎn)移2022-7-7682 2后繼微地址的形成后繼微地址的形成 找到初始微地址后，開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)的微找到初始微地址后，開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)的微程序。每條微指

42、令執(zhí)行完畢，都要根據(jù)程序。每條微指令執(zhí)行完畢，都要根據(jù)要求形成后繼微地址，以保證微程序的要求形成后繼微地址，以保證微程序的正常執(zhí)行。正常執(zhí)行。 后繼微地址的形成方法對(duì)微程序編制的后繼微地址的形成方法對(duì)微程序編制的靈活性影響很大，主要有兩種基本類(lèi)型：靈活性影響很大，主要有兩種基本類(lèi)型： 增量方式增量方式和和斷定方式斷定方式。 2022-7-7691.增量方式（順序轉(zhuǎn)移型微地址）增量方式（順序轉(zhuǎn)移型微地址） 順序執(zhí)行時(shí)順序執(zhí)行時(shí)后繼微地址就是現(xiàn)行微地址后繼微地址就是現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量；加上一個(gè)增量； 轉(zhuǎn)移時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)，由微指令的順序控制字段產(chǎn)生，由微指令的順序控制字段產(chǎn)生轉(zhuǎn)移微地址。因此，在微程序

43、控制器中轉(zhuǎn)移微地址。因此，在微程序控制器中應(yīng)當(dāng)有一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器（應(yīng)當(dāng)有一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器（ PC）。）。 2022-7-770 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易于掌握，編制微程序容簡(jiǎn)單，易于掌握，編制微程序容易，每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的一段微程序易，每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的一段微程序一般安排在一般安排在CM的連續(xù)單元中；的連續(xù)單元中； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：這種方式不能實(shí)現(xiàn)多路轉(zhuǎn)移。這種方式不能實(shí)現(xiàn)多路轉(zhuǎn)移。2022-7-7712.斷定方式斷定方式 斷定方式的后繼微地址可由斷定方式的后繼微地址可由微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)者指定者指定，或者根據(jù)微指令所規(guī)定的測(cè)試，或者根據(jù)微指令所規(guī)定的測(cè)試結(jié)果直接決定后繼微地址的全部或部分結(jié)果直

44、接決定后繼微地址的全部或部分值。值。 這是一種直接給定與測(cè)試斷定相結(jié)合的這是一種直接給定與測(cè)試斷定相結(jié)合的方式，其順序控制字段一般由兩部分組方式，其順序控制字段一般由兩部分組成：非測(cè)試段和測(cè)試段。成：非測(cè)試段和測(cè)試段。 2022-7-772 測(cè)試段如果只有一位，則微地址將產(chǎn)生測(cè)試段如果只有一位，則微地址將產(chǎn)生兩個(gè)分支；若有兩位，則最多可產(chǎn)生四兩個(gè)分支；若有兩位，則最多可產(chǎn)生四個(gè)分支；依次類(lèi)推；測(cè)試段為個(gè)分支；依次類(lèi)推；測(cè)試段為n位最多可位最多可產(chǎn)生產(chǎn)生2n個(gè)分支。個(gè)分支。2022-7-773 例：某機(jī)的微指令格式為：例：某機(jī)的微指令格式為： A A、B B為兩個(gè)判定條件為兩個(gè)判定條件 可實(shí)現(xiàn)可

45、實(shí)現(xiàn)4 4路轉(zhuǎn)移。路轉(zhuǎn)移。 采用斷定方式可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移，其缺采用斷定方式可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移，其缺點(diǎn)時(shí)，編制微程序時(shí)，地址安排比較復(fù)點(diǎn)時(shí)，編制微程序時(shí)，地址安排比較復(fù)雜。雜。IRIROCFOCF微地址高位微地址高位A AB B2022-7-774（3）微程序設(shè)計(jì)方法）微程序設(shè)計(jì)方法 在進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮短微指令在進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮短微指令字長(zhǎng)，減少微程序長(zhǎng)度，提高指令執(zhí)行效字長(zhǎng)，減少微程序長(zhǎng)度，提高指令執(zhí)行效率。但以上指標(biāo)是互相制約的，應(yīng)全面分率。但以上指標(biāo)是互相制約的，應(yīng)全面分析和權(quán)衡。析和權(quán)衡。2022-7-7751 1水平型微指令及水平型微程序設(shè)計(jì)水平型微指令及水平型微程序

46、設(shè)計(jì) 水平型微指令水平型微指令是指一次能定義并執(zhí)行多個(gè)微是指一次能定義并執(zhí)行多個(gè)微微命令的微指令。微命令的微指令。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 并行操作能力強(qiáng)，效率高，執(zhí)行一條機(jī)器指并行操作能力強(qiáng)，效率高，執(zhí)行一條機(jī)器指令所需微指令數(shù)目少，時(shí)間短；令所需微指令數(shù)目少，時(shí)間短；2022-7-776 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 微指令字長(zhǎng)，增加控存的橫向容量；微指令字長(zhǎng)，增加控存的橫向容量； 設(shè)計(jì)者只有熟悉數(shù)據(jù)通路，才有可能編制出設(shè)計(jì)者只有熟悉數(shù)據(jù)通路，才有可能編制出理想的微程序，用戶(hù)一般不易掌握。理想的微程序，用戶(hù)一般不易掌握。 采用水平型微指令編制微程序稱(chēng)為水平微程采用水平型微指令編制微程序稱(chēng)為水平微程序設(shè)計(jì)。序設(shè)計(jì)。20

47、22-7-7772 2垂直型微指令與垂直型微程序設(shè)計(jì)垂直型微指令與垂直型微程序設(shè)計(jì) 垂直型微指令是指一次只能執(zhí)行一個(gè)微命垂直型微指令是指一次只能執(zhí)行一個(gè)微命令的微指令。令的微指令。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 并行操作能力差，效率低，執(zhí)行一條機(jī)并行操作能力差，效率低，執(zhí)行一條機(jī)器指令所需微指令數(shù)目多，執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)、器指令所需微指令數(shù)目多，執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)、效率低；效率低；2022-7-778 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 用戶(hù)不必過(guò)多地熟悉數(shù)據(jù)通路的細(xì)節(jié)便用戶(hù)不必過(guò)多地熟悉數(shù)據(jù)通路的細(xì)節(jié)便可進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)，容易掌握和利用?？蛇M(jìn)行微程序設(shè)計(jì)，容易掌握和利用。 采用垂直型微指令編制微程序稱(chēng)為垂直采用垂直型微指令編制微程序稱(chēng)為垂直微程序設(shè)

48、計(jì)。微程序設(shè)計(jì)。2022-7-7793 混合型微指令混合型微指令 在實(shí)際中，對(duì)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，不應(yīng)在實(shí)際中，對(duì)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，不應(yīng)把微指令局限于某一種類(lèi)型，常常是兩把微指令局限于某一種類(lèi)型，常常是兩者兼而有之。者兼而有之。 具有兩者特點(diǎn)的微指令稱(chēng)為混合型微指具有兩者特點(diǎn)的微指令稱(chēng)為混合型微指令。令。2022-7-7805.4 5.4 實(shí)驗(yàn)用模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì) 下面以實(shí)驗(yàn)中的模型機(jī)來(lái)討論微程序的設(shè)下面以實(shí)驗(yàn)中的模型機(jī)來(lái)討論微程序的設(shè)計(jì)計(jì)設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題：設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題：（1）定義定義模型機(jī)的指令系統(tǒng)模型機(jī)的指令系統(tǒng) 確定模型機(jī)的指令及各指令的功能。確

49、定模型機(jī)的指令及各指令的功能。（2）進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)）進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)所定義的指令所定義的指令系統(tǒng)系統(tǒng) 即即實(shí)現(xiàn)每條指令的功能。實(shí)現(xiàn)每條指令的功能。2022-7-781模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖2022-7-782(1)定義模型機(jī)的指令系統(tǒng)定義模型機(jī)的指令系統(tǒng) 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，模型機(jī)中定義五條機(jī)器為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，模型機(jī)中定義五條機(jī)器指令：指令： ININ（輸入）、（輸入）、ADDADD（二進(jìn)制加法）、（二進(jìn)制加法）、STASTA（存數(shù)）、（存數(shù)）、OUTOUT（輸出）、（輸出）、JMPJMP（無(wú)條件（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4 4位為操作位為操作

50、碼）：碼）：2022-7-783助記符助記符 機(jī)器指令碼機(jī)器指令碼 說(shuō)說(shuō) 明明IN 0000 0000IN 0000 0000 “INPUT DEVICE” “INPUT DEVICE” 中中 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)至的開(kāi)關(guān)狀態(tài)至R0R0A D D a d d rA D D a d d r 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 R0+addrR0+addrR0R0STA addrSTA addr 0010 0000 0010 0000 R0 R0addraddrOUT addrOUT addr 0011 0000 0011 0000 addr addrBUSBUSJMP addr

51、JMP addr 0100 0000 0100 0000 addr addrPCPC2022-7-784 其中其中ININ為單字長(zhǎng)（為單字長(zhǎng)（8 8位），其余為雙字長(zhǎng)位），其余為雙字長(zhǎng)指令，指令， 為為addraddr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼碼, ,為為8 8位。位。2022-7-785（2）進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)）進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)所定義的指令所定義的指令 根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖，設(shè)計(jì)指令根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖，設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程。執(zhí)行流程。 五條指令的流程如下圖所示：五條指令的流程如下圖所示：2022-7-786各條指令的執(zhí)行流程各條指令的執(zhí)行流程返回鏈接處2022-7-787 指令流

52、程設(shè)計(jì)是微程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，下指令流程設(shè)計(jì)是微程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，下面以加法指令流程設(shè)計(jì)為例作詳細(xì)介紹。面以加法指令流程設(shè)計(jì)為例作詳細(xì)介紹。 ADD addrADD addr 0001 0000 0001 0000 R0+addrR0+addrR0R0 當(dāng)執(zhí)行取指令微程序?qū)⒓臃ㄖ噶畲a當(dāng)執(zhí)行取指令微程序?qū)⒓臃ㄖ噶畲a（ 0001 00000001 0000）取出時(shí)，確定是加法指）取出時(shí)，確定是加法指令后，下面該進(jìn)行什么操作。令后，下面該進(jìn)行什么操作。2022-7-788 首先要進(jìn)行首先要進(jìn)行PC-AR,PC+1,以便讀出指以便讀出指令中的地址部分；令中的地址部分； 當(dāng)?shù)刂返竭_(dá)當(dāng)?shù)刂返竭_(dá)AR后，便將內(nèi)

53、存中指令的地后，便將內(nèi)存中指令的地址碼部分讀出到址碼部分讀出到BUS,讀出的地址碼還要讀出的地址碼還要訪(fǎng)問(wèn)其指向的內(nèi)存單元，即進(jìn)行：訪(fǎng)問(wèn)其指向的內(nèi)存單元，即進(jìn)行： RAM-BUS,BUS-AR2022-7-789 從從指向的內(nèi)存單元中指向的內(nèi)存單元中讀出的操作讀出的操作數(shù)要和數(shù)要和R0里的值相加，為此需送入運(yùn)算里的值相加，為此需送入運(yùn)算器的器的DR1或或DR2(若送入若送入DR2,則則R0的值的值要送入要送入DR1),設(shè)送入設(shè)送入DR2,則指令流程為：則指令流程為： RAM-BUS,BUS-DR22022-7-790 下面將下面將R0的值送入的值送入DR1,即指令流程：即指令流程： R0-DR

54、1 最后，將最后，將DR1的值加上的值加上DR2的值，將結(jié)的值，將結(jié)果送入果送入R0,即指令流程：即指令流程： （DR1)+(DR2)-R0 到此，指令功能已完成，指令流程結(jié)束。到此，指令功能已完成，指令流程結(jié)束。2022-7-791說(shuō)明：說(shuō)明： （1）上圖中每個(gè)方框?qū)?yīng)指令流程中的）上圖中每個(gè)方框?qū)?yīng)指令流程中的一步，也即對(duì)應(yīng)一條微指令。一步，也即對(duì)應(yīng)一條微指令。（2）每條指令在執(zhí)行前要執(zhí)行）每條指令在執(zhí)行前要執(zhí)行兩步取指兩步取指令的操作令的操作。 (3)圖中的圖中的P(1) 其實(shí)質(zhì)是根據(jù)指令碼形成其實(shí)質(zhì)是根據(jù)指令碼形成微程序入口地址電路。微程序入口地址電路。2022-7-792 確定各條微

55、指令的地址。確定各條微指令的地址。 首先確定每個(gè)微程序第一條微指令的地址，首先確定每個(gè)微程序第一條微指令的地址，即入口地址。即入口地址。 在該模型機(jī)中，采用一級(jí)功能轉(zhuǎn)移，將在該模型機(jī)中，采用一級(jí)功能轉(zhuǎn)移，將指令代碼的高指令代碼的高4位中的低位中的低3位作為地址的位作為地址的低低3位。位。 即即IN指令的指令代碼的高指令的指令代碼的高4位為位為0000，則入口地址為則入口地址為001 000 即八進(jìn)制即八進(jìn)制102022-7-793 ADD 指令代碼的高指令代碼的高4位為位為0001，則入口，則入口地址為地址為001 001 即八進(jìn)制即八進(jìn)制11 其它指令分別為其它指令分別為 STA :12 O

56、UT:13 JMP:142022-7-794 確定后繼微地址確定后繼微地址 在該模型機(jī)中，采用在微指令的地址控在該模型機(jī)中，采用在微指令的地址控制字段直接給出后繼微地址。制字段直接給出后繼微地址。 由于是采用這種方式，其它微指令可任由于是采用這種方式，其它微指令可任意存放在控存的單元，只要能通過(guò)地址意存放在控存的單元，只要能通過(guò)地址字段前后銜接就可以。字段前后銜接就可以。2022-7-795 每段微程序的最后一條微指令的后地址每段微程序的最后一條微指令的后地址微地址需是轉(zhuǎn)向取指令微程序的入口地微地址需是轉(zhuǎn)向取指令微程序的入口地址，在該模型機(jī)中，為址，在該模型機(jī)中，為000001。2022-7-

57、796控制臺(tái)操作微程序設(shè)計(jì)控制臺(tái)操作微程序設(shè)計(jì) 為了向?yàn)榱讼騌AMRAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫(xiě)入中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫(xiě)入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。（1 1）存儲(chǔ)器讀操作存儲(chǔ)器讀操作：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLRCLR后，后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWBSWB、SWASWA為為“0 0”0 0”時(shí)，按時(shí)，按STARTSTART微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)RAMRAM連續(xù)手動(dòng)讀操連續(xù)手動(dòng)讀操作。作。2022-7-797 存儲(chǔ)器寫(xiě)操作存儲(chǔ)器寫(xiě)操作：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLRCLR后，控后，控制臺(tái)

58、開(kāi)關(guān)制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWBSWB、SWASWA為為“0 1”0 1”時(shí)，按時(shí)，按STARTSTART微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)RAMRAM連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入操作。操作。 啟動(dòng)程序啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLRCLR后，控制臺(tái)后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)SWBSWB、SWASWA為為“11”11”時(shí)，按時(shí)，按STARTSTART微動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第開(kāi)關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第0101號(hào)號(hào)“取址取址”微指微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。2022-7-7982022-7-799說(shuō)明：說(shuō)明：圖中的圖中的P P（4 4），實(shí)際上是根據(jù)控制），實(shí)際上是根據(jù)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)臺(tái)開(kāi)關(guān)SWBSWB、SWASWA的

59、狀態(tài)形成的狀態(tài)形成3 3路不同的微路不同的微程序入口地址電路。程序入口地址電路。2022-7-7100 關(guān)于啟動(dòng)程序的運(yùn)行關(guān)于啟動(dòng)程序的運(yùn)行 先執(zhí)行先執(zhí)行00號(hào)單元的微指令，號(hào)單元的微指令，00號(hào)單元的號(hào)單元的微指令進(jìn)行微指令進(jìn)行P(4)測(cè)試，當(dāng)測(cè)試，當(dāng)SWBSWB、SWASWA為為“11”11”時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行2323號(hào)單元的微指令，號(hào)單元的微指令，2323號(hào)單元的微指令沒(méi)有進(jìn)行什么操作，號(hào)單元的微指令沒(méi)有進(jìn)行什么操作，只是它的只是它的下地址為下地址為0101，即，即轉(zhuǎn)入取指令微轉(zhuǎn)入取指令微指令指令。2022-7-7101 其它是手動(dòng)寫(xiě)入程序至內(nèi)存及手動(dòng)讀出其它是手動(dòng)寫(xiě)入程序至內(nèi)存及

60、手動(dòng)讀出程序驗(yàn)證其正確性的兩個(gè)控制臺(tái)微程序。程序驗(yàn)證其正確性的兩個(gè)控制臺(tái)微程序。2022-7-7102 微指令代碼化微指令代碼化 根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的每根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的每條微指令代碼化，轉(zhuǎn)成相應(yīng)的二進(jìn)制代條微指令代碼化，轉(zhuǎn)成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，寫(xiě)入控存中的相應(yīng)單元。碼，寫(xiě)入控存中的相應(yīng)單元。2022-7-7103模型機(jī)的微指令的格式模型機(jī)的微指令的格式2022-7-7104說(shuō)明：說(shuō)明： （1）在模型機(jī)中，采用混合型微指令設(shè)）在模型機(jī)中，采用混合型微指令設(shè)計(jì)方法。計(jì)方法。 （2）微指令的操作控制字段采用了直接）微指令的操作控制字段采用了直接 給出微命令和譯碼法相接合的方