組成原理課件 - 微程序控制器

§6·4微程序控制器微程序控制器的設(shè)計(jì)思想微程序控制器：用一個(gè)存儲(chǔ)在ROM中的微程序產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。把指令執(zhí)行中的每一個(gè)步驟所需要的所有控制信號(hào)編成微指令（控制字）預(yù)先存放在控制存儲(chǔ)器（ROM）中，在指令的執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)需要從控制存儲(chǔ)器中讀取控制信號(hào)值，并送到各個(gè)部件的控制端。指令執(zhí)行的一步所需的所有控制信號(hào)編成微指令，一條指令執(zhí)行需要若干步，則需要若干條微指令，這樣由若干條微指令序列則構(gòu)成一個(gè)微程序。一、微程序和微指令在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，用來(lái)管理控制門的打開(kāi)或關(guān)閉的控制命令（或控制信號(hào)）。它是控制信息傳送的控制命令，它是控制信號(hào)序列的最小單位。控制字的每一位就是一個(gè)微命令。它控制其它部件產(chǎn)生一個(gè)微操作。1、微命令：

2、微操作：一個(gè)微命令所控制實(shí)現(xiàn)的操作過(guò)程。它是構(gòu)成指令操作序列或其他處理過(guò)程的操作序列最基本的，不可再分解的操作。微命令是微操作的控制信號(hào)，而微操作微命令的操作過(guò)程。3、微指令：是若干個(gè)微命令的組合。它可產(chǎn)生一組控制信號(hào)。一微指令包含操作控制部分和順序控制部分。微指令通常以編碼字（控制字）的形式存放在控制存儲(chǔ)器中。4、微周期：取出一條微指令并執(zhí)行該微指令所需要的全部時(shí)間。5、微程序：是一系列微指令的有序集合。若干條有序的微指令組成一個(gè)微指令組，可以控制實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令。每組微指令就是一段微程序。所有的微指令組的總和就是整個(gè)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的微程序，它控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器的整個(gè)指令系統(tǒng)的處理過(guò)程。

微操作碼微地址碼6、微程序和程序的區(qū)別微程序是由微指令構(gòu)成的，用于描述機(jī)器指令。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)，將它預(yù)先編制好，存入ROM中，供用戶使用，通常微程序不允許用戶修改。程序是由機(jī)器指令構(gòu)成的，是用戶或軟件設(shè)計(jì)人員編寫的，并存于主存或外存中，允許修改。7、指令操作與微操作區(qū)別指令操作是存儲(chǔ)在主存中的指令所指定的操作，控制器根據(jù)操作碼發(fā)出一系列控制信號(hào)，完成指令指定的操作。微操作是存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中的微指令所指定的操作，控制器根據(jù)微指令發(fā)出一系列控制信號(hào)，完成微指令指定的操作。8、微指令的格式（1）微操作碼：包含指令執(zhí)行的一個(gè)步驟中所包含的全部微命令的編碼，即一條微指令所需的全部控制信號(hào)的編碼，用來(lái)發(fā)出操作控制信號(hào)。（2）微地址碼：用來(lái)產(chǎn)生下一條微指令的地址，指出下一條微指令代碼在控制存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)位置。

微操作碼微地址狀態(tài)條件微操作信號(hào)微地址形成部件OPIRCMAR譯碼驅(qū)動(dòng)控制存儲(chǔ)器二、微程序控制原理（一）組成1、控制存儲(chǔ)器（C·M）存放實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的所有微程序，由ROM實(shí)現(xiàn)。控制存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)是微指令字的長(zhǎng)度。控制存儲(chǔ)器的容量取決于指令的數(shù)量和每條指令的微程序長(zhǎng)度，也取決于微指令代碼的利用率。2、微指令寄存器（CMIR）存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息。3、微地址寄存器（CMAR）：存放將要訪問(wèn)的下一條微指令的微地址。4、微地址形成部件：能測(cè)試執(zhí)行中的狀態(tài)信息，修改微地址寄存器的內(nèi)容，以便按修改后的內(nèi)容去讀下一條指令。CMIR（二）工作原理1、取指階段（1）將取指微程序首地址置于CMAR中。（2）讀微指令。（3）產(chǎn)生微操作命令。（4）形成下一條微指令地址。（5）取下一條微指令。…………重復(fù)（1）~（4）過(guò)程，直到該機(jī)器指令送入CIR為止。2、執(zhí)行階段（1）加法執(zhí)行階段對(duì)應(yīng)的微程序首地址的形成。（2）讀出微指令。（3）產(chǎn)生微操作命令。（4）形成下一條微指令地址?！貜?fù)（1）~（4）過(guò)程，直到下一機(jī)器指令送入CIR為止。

微程序的入口地址的形成是譯碼器根據(jù)指令的操作碼產(chǎn)生的。微程序控制器的特點(diǎn)（1）具有規(guī)整性、可維護(hù)性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)。（2）它是一種利用軟件方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令的操作控制。（3）可以方便地增加和修改指令，甚至可實(shí)現(xiàn)其他計(jì)算機(jī)的指令。三、微指令控制方式及微地址形成方式1、設(shè)計(jì)微指令的目的縮短微指令長(zhǎng)度，減小控制存儲(chǔ)器的容量，提高微程序的執(zhí)行速度，便于微指令的修改，便于微程序設(shè)計(jì)的靈活性。2、微操作的相容性和相斥性相容性：在同一微周期中可以同時(shí)出現(xiàn)的微命令。相斥性：在同一微周期中不能同時(shí)出現(xiàn)的微命令。在微指令編碼時(shí)要考慮控制信號(hào)間的相容性和相斥性，相斥的分在同一組中，相容的分中不同組中。R1R2R3ALU鎖存器A1：+2：-3：M鎖存器B4：R1→A5：R2→A6：R3→A7：R1→B8：R2→B9：R3→B10：BUS→R111：BUS→R212：BUS→R3相斥的微命令1、+、-、M2、R1→A、R2→A、R3→A3、R3→B、R2→B、R1→B4、BUS→R1、BUS→R2、BUS→R3XX00：不操作01：+10：-11：MXX00：不操作01：R1→A10：R2→A11：R3→AXX00：不操作01：R1→B10：R1→B11：R1→BXX00：不操作01：BUS→R110：BUS→R211：BUS→R33、微指令控制方式（微指令編碼方式）微指令中的微操作碼字段如何形成微操作命令。（1）直接控制方式利用微操作碼各位的狀態(tài)，直接作為微操作命令信號(hào)去控制被控部件。特點(diǎn)：①簡(jiǎn)單直觀，其輸出直接用于控制，產(chǎn)生控制信號(hào)的速度快。②微指令代碼長(zhǎng)，微代碼的編碼效率低。（2）編碼表示法①顯示編碼：將微操作碼分成幾個(gè)字段，將相容性的微命令分在不同字段內(nèi)，將相斥性的微命令分在同一字段內(nèi)，然后將每一個(gè)字段經(jīng)譯碼后，發(fā)出各個(gè)微操作命令。特點(diǎn)：微指令代碼短，編碼效率高，控制信號(hào)產(chǎn)生的速度慢。②隱式編碼：指各字段的譯碼信號(hào)不能直接用作微操作命令，必須由其化字段或某些特征觸發(fā)器的狀態(tài)作為補(bǔ)充解釋或相互配合，才能使微操作命令有確切含義。特點(diǎn)：可縮短指令字長(zhǎng)、減少控制存儲(chǔ)器的容量。4、微地址的形成方法：形成下一條微指令地址的方法。（1）計(jì)數(shù)器方式用微程序計(jì)數(shù)器μPC來(lái)產(chǎn)生下一條微指令的地址，將微程序中的各條微指令按執(zhí)行順序安排在控制存儲(chǔ)器中，后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量來(lái)得到。在非順序方式執(zhí)行微指令時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)移方式，用一條轉(zhuǎn)移微指令轉(zhuǎn)向執(zhí)行指定后繼微地址的下一條微指令。在微指令格式中有標(biāo)志位來(lái)區(qū)分轉(zhuǎn)移微指令和控制微指令。μPC在一般情況下是加1產(chǎn)生下一條微指令的地址的。除非遇到如下情況①微程序結(jié)束，μPC復(fù)位到起始微地址。②當(dāng)一個(gè)新的指令裝入IR時(shí)，μPC中裝入該指令的執(zhí)行階段的起始微地址。③在遇到轉(zhuǎn)移微指令并轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，μPC裝入轉(zhuǎn)移目標(biāo)的微地址。特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)方法直觀，順序控制字較短，微地址生成機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于微指令發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率高，需要在微程序中增加許多轉(zhuǎn)移微指令，所以會(huì)降低執(zhí)行速度。（2）斷定方式在每一條微指令中增加轉(zhuǎn)移功能，每條微指令既可以有控制其他部件的功能，又具有控制微程序流程的功能。在斷定方式中，引入兩個(gè)下地址字段，根據(jù)條件選擇其中一個(gè)下地址字段作為下一條微指令的微地址。下一條微指令的微地址則包含在當(dāng)前微指令的代碼中，每一條微指令都具有分支的功能，不需專門的轉(zhuǎn)移微指令。特點(diǎn)：無(wú)需μPC來(lái)指定下一條微指令的微地址，靈活性好，執(zhí)行速度快。但增加了微指令代碼的長(zhǎng)度，而且不能有效的解決條件轉(zhuǎn)移以及多路分支問(wèn)題。（3）結(jié)合方式微指令的格式由微指令控制字段、條件選擇字段和轉(zhuǎn)移地址字段三部分組成。①控制字段產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。②條件選擇字段用于規(guī)定條件轉(zhuǎn)移微指令要測(cè)試的外部條件。③轉(zhuǎn)移地址字段當(dāng)條件滿足時(shí)用它作為下一個(gè)微指令的微地址，否則用μPC產(chǎn)生下一條微指令的微地址。四、微指令的重疊在同一節(jié)拍內(nèi)，兩個(gè)微操作的被控對(duì)象互不干涉，則可將兩個(gè)微操作安排在同一時(shí)刻。五、微程序的設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)微操作命令的執(zhí)行順序安排節(jié)拍，并由些編出微操作時(shí)間表。2、根據(jù)微操作的數(shù)目，確定微指令的控制方式及微指令下一地址的形成方式，從而確定微指令的格式和字長(zhǎng)。3、由微指令格式，編寫全部微指令的代碼。例1：在微程序控制器中，控制存儲(chǔ)器的容量是1024字×32位，微指令有控制字、BCF和BAF三個(gè)字段，控制字為16位。求BCF和BAF字段各為多少位？（BCF轉(zhuǎn)移控制字段，用于測(cè)試指令是否轉(zhuǎn)移；BAF轉(zhuǎn)移地址字段，用于產(chǎn)生下一條微指令的地址。）練習(xí)1：已知某機(jī)采用微程序控制方式，其控制存儲(chǔ)器容量為512X48位）。微指令字長(zhǎng)為48位，微程序可在整個(gè)控制存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個(gè)（直接控制）。求微指令中的三個(gè)字段分別為多少位？微指令字段BCFBAF練習(xí)2：某機(jī)采用微程序控制器設(shè)計(jì)，已知每一條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程均可分解成8條微指令組成的微程序，該機(jī)指令系統(tǒng)采用6位定長(zhǎng)操作碼格式，控制存儲(chǔ)器至少應(yīng)能容納多少條微指令。練習(xí)3：已知某計(jì)算機(jī)有80條指令，平均每條指令由12條微指令組成，其中有一條取指微指令是所有指令公有的，設(shè)微指令為32位。求：微指令所占的單元數(shù)及控制存儲(chǔ)器的容量各為多少？R1R2R3ALU鎖存器A123鎖存器B456789101112已知某運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它具有+（加）、-（減）、M（傳送）三種操作。（1）寫出圖中1~12表示的運(yùn)算器操作的微命令。（2）指出相斥性的操作（3）設(shè)計(jì)適合此運(yùn)算器的微指令格式（一）圖示的運(yùn)算器操作的微命令分別是1、+2、-3、M4、R1→A5、R2→A6、R3→A7、R3→B8、R2→B9、R1→B10、BUS→R111、BUS→R212、BUS→R3（二）相斥的微命令1、