計(jì)算機(jī)組成原理-第8章教材

第8章

控制單元的設(shè)計(jì)本章導(dǎo)讀本章介紹控制單元的設(shè)計(jì)技術(shù)，包括硬布線和微程序兩種基本設(shè)計(jì)方法。硬布線部分的內(nèi)容包括硬布線控制的基本方法，硬布線控制器的基本組成，硬布線控制器的設(shè)計(jì)等。微程序部分的內(nèi)容包括微程序控制的基本思想，微程序、微指令、控存等概念，微指令的編碼方法、尋址方法及執(zhí)行方式等。本章要點(diǎn)控制器的工作原理硬布線控制器微程序、微指令和微命令微指令的編碼方式微地址的形成方式8.1硬布線控制器設(shè)計(jì)8.1.1硬布線控制的基本方法8.1.2硬布線控制器的組成8.1.3硬布線控制器的設(shè)計(jì)前面已經(jīng)討論了控制單元的組成模型，并結(jié)合具體的機(jī)器模型討論了指令的執(zhí)行過程。指令執(zhí)行需要一系列的微控制信號，這些微操作序列怎樣產(chǎn)生，又如何控制執(zhí)行指令，是本章要討論的控制單元的實(shí)現(xiàn)問題。產(chǎn)生控制信號一般有硬布線控制和微程序控制兩種方法，在此基于非流水的簡單機(jī)器模型來討論這兩種控制器設(shè)計(jì)的基本方法。硬布線方法的控制單元本質(zhì)上是一個(gè)組合邏輯電路，所以又稱為組合邏輯控制方式，它能將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成一組輸出控制信號。8.1.1硬布線控制的基本方法硬布線控制是早期推出的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一種方法。這種方法把控制部件作為專門產(chǎn)生固定時(shí)序控制信號的邏輯電路，而此邏輯電路則以使用最少元件和取得最高操作速度為設(shè)計(jì)目標(biāo)。因?yàn)樵撨壿嬰娐肥怯砷T電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)，所以又稱為組合邏輯控制器。當(dāng)執(zhí)行不同的機(jī)器指令時(shí)，硬布線控制器是通過激勵(lì)一系列彼此很不相同的控制信號來實(shí)現(xiàn)對指令的解釋，其結(jié)果使控制器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，因而硬布線控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試也非常復(fù)雜。為此，硬布線控制器曾被微程序控制器取代。但在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下，硬布線控制速度要比微程序控制速度快，隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，組合邏輯設(shè)計(jì)思想又受到了人們的高度重視，特別在RISC體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，多采用硬布線控制邏輯。8.1.2硬布線控制器的組成圖8-1是硬布線控制的控制器組成框圖，主要有程序計(jì)數(shù)器、組合邏輯電路、指令寄存器和指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器等部件組成。其中，組合邏輯電路產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需的全部操作命令，是控制器的核心。圖8-1硬布線控制器框圖（1）程序計(jì)數(shù)器和中斷控制邏輯圖中的程序計(jì)數(shù)器的輸入有四種來源：開機(jī)后的Reset信號，將PC置以初始地址；當(dāng)順序執(zhí)行程序時(shí)，由PC+1形成下一條指令的地址；當(dāng)程序轉(zhuǎn)移時(shí)，由ALU送來轉(zhuǎn)移地址（當(dāng)用ALU部件計(jì)算有效地址時(shí)）；當(dāng)有外來中斷請求信號時(shí)，若CPU響應(yīng)中斷，則由中斷控制邏輯部件產(chǎn)生中斷服務(wù)程序入口地址。（2）譯碼器如操作碼為7位，則允許計(jì)算機(jī)最多設(shè)置128條指令，譯碼器的最基本形式為：以7位操作碼為輸入，在輸出的128條線中，任何時(shí)候只能有1根為高電平，其余均為低電平（或只有1根為低電平，其余均為高電平），每1根輸出線代表一條指令。但實(shí)際的設(shè)計(jì)中，譯碼器與硬布線邏輯的分界線往往是模糊的，這是因?yàn)閮烧叨际怯勺罨镜拈T電路組成的。（3）時(shí)序電路在前面的指令執(zhí)行分析中，可以把一個(gè)指令周期分成幾個(gè)機(jī)器周期，如加法指令的執(zhí)行分成4個(gè)機(jī)器周期，在硬布線控制中如何區(qū)分這4個(gè)機(jī)器周期呢？可以考慮用4位觸發(fā)器來分別表示，當(dāng)機(jī)器處于某一周期時(shí)，相應(yīng)的觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，而其余3個(gè)觸發(fā)器則處于“0”狀態(tài)，4位移位寄存器即可實(shí)現(xiàn)此功能。設(shè)以cy1，cy2，cy3，cy4分別表示四個(gè)機(jī)器周期，在初始化（reset）時(shí)，令cy1=1，其余均處于“0”狀態(tài)，即機(jī)器處于取指周期，然后實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位，可保證4個(gè)觸發(fā)器中有一位且僅有一位處于“1”狀態(tài)，分別表示指令執(zhí)行的后繼周期。然而由于每條指令的功能不同，所以需要的機(jī)器周期數(shù)可能就不相同。如某些指令可能缺少某個(gè)周期而有些復(fù)雜指令的某個(gè)周期則需要延長。此時(shí)需根據(jù)指令功能列出所有指令的機(jī)器周期變化規(guī)律，將情況相同的指令歸為一類，最后歸納出幾種情況，然后列出表達(dá)式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的周期變化時(shí)序電路。（4）組合邏輯電路圖中組合邏輯電路的輸入信號有三個(gè)來源：①、來自指令操作碼譯碼器的輸出，譯碼器每根輸出線表示一條指令，譯碼器的輸出反映出當(dāng)前正在執(zhí)行的是什么指令。②、來自執(zhí)行部件的反饋信息。③、來自時(shí)序發(fā)生器的時(shí)序信號，包括機(jī)器周期信號和時(shí)鐘周期信號等。組合邏輯電路的輸出信號就是微操作控制信號，用來控制執(zhí)行部件。還有一些信號則根據(jù)條件變量來改變時(shí)序發(fā)生器的計(jì)數(shù)順序，以便跳過某些機(jī)器周期。組合邏輯電路可歸納為：某一微操作控制信號C是指令操作碼譯碼器輸出I、機(jī)器周期信號cy和狀態(tài)條件信號B的函數(shù)。其數(shù)學(xué)描述為：C=f（I，cy，B）該控制信號C是用許多門電路器件采用組合邏輯設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)機(jī)器加電工作時(shí)，某一操作控制信號C在某條特定指令和狀態(tài)條件下，在某一序列的特定機(jī)器周期中起作用，從而激勵(lì)這條控制信號線對執(zhí)行部件進(jìn)行控制。顯然，從指令流程圖出發(fā)，就可以一個(gè)不漏地確定在指令周期中各個(gè)時(shí)刻必須激勵(lì)的所有操作控制信號。8.1.3硬布線控制器的設(shè)計(jì)按照先后次序，硬布線控制器的基本設(shè)計(jì)過程為：（1）采用適宜的指令格式，合理分配指令操作碼設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)要先考慮指令系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么功能，需要設(shè)置哪些指令。指令系統(tǒng)確定后，為了節(jié)省控制邏輯電路、減少延遲時(shí)間，應(yīng)該合理地分配操作碼。指令操作碼的分配對組合邏輯電路的組成影響非常大。有些機(jī)器采用不等長的指令字格式，常用的指令字短，復(fù)雜的指令字長，從而使得總的程序代碼短，程序占用的存儲器空間少，但是造成了指令的操作碼不太規(guī)整。另外對于系列機(jī)，當(dāng)初設(shè)計(jì)第一臺計(jì)算機(jī)時(shí)并沒有預(yù)計(jì)到要增加擴(kuò)充指令，而新設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)必須擴(kuò)充指令，因而使操作碼代碼分配變得不甚合理。以上情況使指令中操作碼字段的長度與位置不固定，在一臺計(jì)算機(jī)中又存在多種指令格式，增加了控制邏輯電路的復(fù)雜性，條理性也差?，F(xiàn)代一些新型計(jì)算機(jī)中，采用等字長規(guī)整化的指令格式，指令中操作碼字段的長度與位置都是固定的，使控制邏輯電路簡單易實(shí)現(xiàn)。（2）確定機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻基本上是由指令的功能及器件的速度確定的。設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選擇能反映出計(jì)算機(jī)各主要部件速度的典型指令，例如加法指令、轉(zhuǎn)移控制指令等，分析并定出這些典型指令的執(zhí)行步驟以及每一步需要的時(shí)間。例如，指令中的取指或取操作數(shù)反映了存儲器的速度以及CPU與存儲器的工作配合情況；加法運(yùn)算涉及運(yùn)算器或ALU的運(yùn)算速度；條件轉(zhuǎn)移指令，尤其是比較轉(zhuǎn)移指令更能反映出執(zhí)行周期所需要的時(shí)間，用這些作機(jī)器周期的基本時(shí)間可以保證絕大部分指令能在這一時(shí)間內(nèi)完成操作。然后還要逐條對指令進(jìn)行分析以確保絕大部分指令能夠在基本時(shí)間內(nèi)完成操作。為了不影響機(jī)器運(yùn)行速度，對于不能在這一時(shí)間完成的個(gè)別指令，根據(jù)這些指令的執(zhí)行幾率，可采取增加周期數(shù)或延長時(shí)間的辦法解決。機(jī)器周期基本上是根據(jù)存儲器的速度及執(zhí)行周期的基本時(shí)間確定的，隨之機(jī)器的主頻、每一機(jī)器周期的節(jié)拍電位與時(shí)鐘數(shù)也就基本確定了。（3）確定機(jī)器周期數(shù)及每一周期內(nèi)的操作大部分指令的執(zhí)行過程與典型指令類似，但有些指令的操作比較復(fù)雜。要作特殊處理。通常采用的做法是，延長這條指令的執(zhí)行周期或重復(fù)出現(xiàn)執(zhí)行周期。確定完每條指令在每一機(jī)器周期所要完成的操作后，就得出了相應(yīng)的操作控制命令。該命令的一般表達(dá)式為：操作控制命令名=指令名×機(jī)器周期×節(jié)拍×條件（4）進(jìn)行指令綜合綜合所有指令的每一個(gè)操作命令，寫出邏輯表達(dá)式，并進(jìn)行化簡。由于指令系統(tǒng)有幾十至幾百條機(jī)器指令，因此機(jī)器中操作控制命令就很多，而且每一個(gè)操作命令表達(dá)式中包含的項(xiàng)也很多，在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要先進(jìn)行化簡。有些操作命令要求被控制對象完成的動作比較簡單，而有些則比較復(fù)雜，對后者要仔細(xì)考慮在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)是否能完成。假如某條指令的一個(gè)操作在一個(gè)基本機(jī)器周期內(nèi)無法完成，為了安排這個(gè)操作要使基本機(jī)器周期增加10%時(shí)間，那么應(yīng)考慮是否要設(shè)置這條指令。假如設(shè)置這條指令后至少能使程序運(yùn)行時(shí)執(zhí)行的指令數(shù)減少10%，這樣不至損失整機(jī)的速度，則可以考慮設(shè)置，或者就不如不要這條指令。關(guān)于化簡，除了對邏輯式進(jìn)行化簡外，還可結(jié)合機(jī)器本身的特點(diǎn)進(jìn)行，前面談到的指令操作碼的編碼分配即為一例。在實(shí)現(xiàn)某些指令時(shí)，有一些操作命令的存在與否不影響指令的功能，此時(shí)可根據(jù)是否對化簡有利而進(jìn)行取舍。（5）明確組合邏輯電路將化簡后的邏輯表達(dá)式用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。操作命令的控制信號先用邏輯表達(dá)式列出，并進(jìn)行化簡，考慮各種條件的約束，合理選用邏輯門電路、觸發(fā)器等器件，采用組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生控制信號。8.2微程序控制器設(shè)計(jì)8.2.1微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生8.2.2微程序控制的基本原理8.2.3微指令的編碼方式8.2.4微地址的形成方式8.2.5微指令格式及執(zhí)行方式8.2.1微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生微程序設(shè)計(jì)思想是英國劍橋大學(xué)教授M.V.Wilkes在1951年首先提出的。為了克服組合邏輯控制單元線路龐雜的缺點(diǎn)，他大膽設(shè)想采用與存儲程序相類似的辦法，來解決微操作命令序列的形成。Wilkes提出，將一條機(jī)器指令編寫成一個(gè)微程序，每一個(gè)微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)微操作命令。然后把這些微程序存到一個(gè)控制存儲器中，用尋找用戶程序機(jī)器指令的辦法來尋找每個(gè)微程序中的微指令。由于這些微指令是以二進(jìn)制代碼形式表示的，每位代表一個(gè)控制信號（若該位為1，表示該控制信號有效；若該位為0，表示此控制信號無效），因此，逐條執(zhí)行每一條微指令，也就相應(yīng)地完成了一條機(jī)器指令的全部操作。在此，對上面提到的幾個(gè)名詞解釋如下：微命令：計(jì)算機(jī)中控制部件與執(zhí)行部件間要傳遞控制信息，控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令通常被叫做微命令，因?yàn)檫@些命令常常是控制一些門級電路的功能實(shí)現(xiàn)。而執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作就是微操作。微指令：在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，它就是把同時(shí)發(fā)出的控制信號的有關(guān)信息匯集起來而形成的。將一條指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令的功能。微程序：計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成，而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。控制存儲器：微程序是存放在存儲器中的，由于該存儲器主要存放控制命令（信號）與下一條執(zhí)行的微指令地址（簡稱為下址），所以被叫做控制存儲器，它位于CPU內(nèi)。一般計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的功能是固定的，所以實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的微程序也是固定的，于是控制存儲器可以用只讀存儲器實(shí)現(xiàn)。又由于機(jī)器內(nèi)控制信號數(shù)量比較多，再加上決定下址的地址碼也有一定寬度，所以控制存儲器的字長通常比機(jī)器字長要長得多。由此可見，微程序控制單元的核心部件是控制存儲器，簡稱控存。由于執(zhí)行一條機(jī)器指令必須多次訪問控存，以取出多條微指令來控制執(zhí)行各個(gè)微操作，因此要求控存的速度較高。直到60年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體存儲器，才使這個(gè)設(shè)計(jì)思想成為現(xiàn)實(shí)。1964年4月，世界上第一臺微程序設(shè)計(jì)的機(jī)器IBM360研制成功。微程序設(shè)計(jì)省去了組合邏輯設(shè)計(jì)過程中對邏輯表達(dá)式的化簡步驟，無須考慮邏輯門級數(shù)和門的扇入系數(shù)，使設(shè)計(jì)更簡便。而且由于控制信號是以二進(jìn)制代碼的形式出現(xiàn)的，因此只要修改微指令的代碼，就可改變操作內(nèi)容，便于調(diào)試、修改、甚至增刪機(jī)器指令，有利于計(jì)算機(jī)仿真。8.2.2微程序控制的基本原理1、控制信號將前面講到的運(yùn)算器（圖7-11）和控制器（圖7-1）組合在一起，可得到如圖8-2的CPU結(jié)構(gòu)。假設(shè)ALU可以進(jìn)行加（+）、減（-）、邏輯加（∨）和邏輯乘（∧）四種運(yùn)算，把圖中所需的控制信號進(jìn)行排序，可得到如表8-1所示的控制信號一覽表。圖8-2CPU邏輯框圖表8-1控制信號一覽表序號控制信號功

能1PC→AB指令地址送地址總線2ALU→PC轉(zhuǎn)移地址送PC3PC+1程序計(jì)數(shù)器加14imm(disp)→ALU立即數(shù)或位移量送ALU5DB→IR取指到指令寄存器6DB→MDR數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器7MDR→DB數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線8rs1→GR寄存器地址送通用寄存器9rs，rd→GR寄存器地址送通用寄存器10（rs1）→ALU寄存器內(nèi)容送ALU11（rs）→ALU寄存器內(nèi)容送ALU12MDR→ALU數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容送ALU表8-1控制信號一覽表（續(xù)）序號控制信號功能13+ALU進(jìn)行加法運(yùn)算14

-ALU進(jìn)行減法運(yùn)算15∧ALU進(jìn)行邏輯乘運(yùn)算16∨ALU進(jìn)行邏輯加運(yùn)算17ALU→GRALU運(yùn)算結(jié)果送通用寄存器18ALU→MDRALU運(yùn)算結(jié)果送數(shù)據(jù)寄存器19ALU→MARALU運(yùn)算的有效地址送地址寄存器20MAR→AB地址寄存器內(nèi)容送地址總線21ADS地址總線上地址有效22M/IO#訪問存儲器或IO設(shè)備23W/R#寫或讀仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它可以由四條微指令解釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號是同時(shí)發(fā)出的。每條微指令所需的控制信號如下：（1）取指微指令①、指令地址送地址總線：PC→AB（1）②、發(fā)訪存控制命令：ADS（21），M/IO#=1（22），W/R#=0（23）。從存儲器取指令送數(shù)據(jù)總線。③、指令送指令寄存器：DB→IR（5）④、程序計(jì)數(shù)器加1：PC+1（3）（2）計(jì)算地址微指令①、取兩個(gè)源操作數(shù)（計(jì)算地址用）：rs1→GR（8），（rs1）→ALU（10），disp→ALU（4）。②、加法運(yùn)算：“+”（13）。③、有效地址送地址寄存器：ALU→MAR（19）。（3）取數(shù)微指令①、數(shù)據(jù)地址送地址總線：MAR→AB（20）。②、發(fā)訪存控制命令：ADS（21），M/IO#=1（22），W/R#=0（23）。由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DB。③、數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：DB→MDR（6）。（4）加法運(yùn)算和送結(jié)果微指令①、兩源操作數(shù)送ALU：rs→GR（9），（rs）→ALU（11），MDR→ALU（12）。②、加法運(yùn)算：“+”（13）。③、送結(jié)果：ALU→GR（17）。微指令最簡單的組成形式是將每個(gè)控制信號用一個(gè)控制位來表示，當(dāng)該位為“1”時(shí)，定義為有該控制信號，當(dāng)該位為“0”時(shí)，沒有該控制信號。M/IO#，W/R#則根據(jù)是訪問存儲器還是I/O設(shè)備、是寫還是讀而設(shè)置成“1”或“0”。在圖8-2中總共有23個(gè)控制信號，所以總共有23個(gè)控制位，如控制存儲器的容量為4K字，則每條微指令還需要12位來表示下址。此時(shí)，微指令格式可表示成如圖8-3所示。圖8-3微指令格式控制字段每一位的功能與表8-1中所表示的一致。但實(shí)際的計(jì)算機(jī)中，控制信號的數(shù)量要比上例大得多。而且控制存儲器的容量一般也大于4K字，因此微指令字的長度通常在100位以上?？刂拼鎯ζ鞯娜萘咳Q于實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)所需的微程序長度與微指令字長。圖8-4為加法指令的四條微指令編碼，每一小格表示一位，空格表示0，第24位到第35位為下址。圖8-4加法指令的微指令編碼當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從控制存儲器取出后放在微指令寄存器中，該寄存器的各個(gè)控制位的輸出直接連到各個(gè)控制門上。例如，上述第四條微指令，由于第9，11，12，13，17位為1，因而產(chǎn)生將兩個(gè)數(shù)送ALU進(jìn)行加法運(yùn)算和將結(jié)果送通用寄存器的控制信號并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N、Z、V、C。微程序也可以用流程圖來表示，如圖8-5所示。圖中每一方框表示一條微指令，方框上方表示的是該條微指令的地址，方框內(nèi)為執(zhí)行的操作，在其右下角為下一條要執(zhí)行的微指令的地址，表示在微指令的下址字段中。取指微指令的操作對所有的指令都是相同的。所以是一條公用的微指令，其下址由操作碼譯碼產(chǎn)生。圖8-5微程序流程圖舉例2、微程序控制器微程序控制器如圖8-6所示。圖中的控制存儲器與微指令寄存器替代了圖8-2中的時(shí)序控制信號形成部件。其基本工作原理如下：圖8-6微程序控制器簡框圖當(dāng)指令被取入IR后，根據(jù)操作碼進(jìn)行譯碼，得到相應(yīng)指令的第一條微指令的地址。按圖8-5的表示，即當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)，譯碼得到的地址為1001，當(dāng)執(zhí)行減法指令時(shí)，譯碼得到的地址為1004，…，當(dāng)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，譯碼得到的地址為1100。之后，都由微指令的下址字段指出下一條微指令的地址。指令譯碼部件也可用一個(gè)只讀存儲器組成，將操作碼作為只讀存儲器的輸入地址，該單元的內(nèi)容即為相應(yīng)的微指令在控制存儲器中的地址，根據(jù)此地址即可從控制存儲器取出微指令，并將它存放在微指令寄存器中。微指令分成兩部分，產(chǎn)生控制信號的部分一般稱為控制字段，產(chǎn)生下一條微指令地址的部分稱為下址字段?？刂谱侄蔚母魑坏妮敵鐾ㄟ^連接線直接與受控制的門相連，于是就提供了各控制信號。其中作為指令譯碼部件的只讀存儲器，實(shí)現(xiàn)了從指令到相應(yīng)的微指令的查找功能，所以也被稱為映像存儲器（MAPROM）。8.2.3微指令的編碼方式在實(shí)際進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)關(guān)心下面幾個(gè)問題：第一，如何縮短微指令字長。第二，如何減少微程序長度。第三，如何提高微程序的執(zhí)行速度。這就要考慮微指令的編碼方式及執(zhí)行方式等內(nèi)容。微指令的編碼方式又叫微指令的控制方式，它是指如何對微指令的控制字段進(jìn)行編碼，以形成所需的控制信號。（1）直接編碼（直接控制）方式在微指令的操作控制字段中，每一位代表一個(gè)微命令，這種編碼方式即為直接編碼方式。前面所舉的例子中即是采用這種方式。這種方式含義清晰，但由于機(jī)器中微命令甚多，可能使微指令字長達(dá)到難以接受的地步。（2）字段直接編碼方式這種方式就是將微指令的控制字段分成若干段，將一組互斥的微命令放在一個(gè)字段中，通過對這個(gè)字段的譯碼，可得到一個(gè)微命令。其中互斥的微命令指的是一組在同一個(gè)微指令執(zhí)行周期不會同時(shí)出現(xiàn)的微命令。例如，向存儲器發(fā)出的讀命令和寫命令是互斥的；又如在ALU部件中，ALU所執(zhí)行的加、減、邏輯與等操作也是互斥的。采用字段直接編碼方法可用較少的二進(jìn)制信息表示較多的微命令信號，例如用3位二進(jìn)制代碼譯碼后可表示7個(gè)互斥的微命令，留出一種狀態(tài)表示不發(fā)任何微命令，與直接編碼用7位表示7個(gè)微命令相比，減少了4位。但由于需要對字段信息進(jìn)行譯碼，需增加譯碼電路，也稍微降低了微程序的執(zhí)行速度。字段直接編碼方法如圖8-7所示。和互斥微命令對應(yīng)，也有相容微命令的概念，指的是在同一個(gè)微指令執(zhí)行周期可能同時(shí)需要的一些微命令。圖8-7字段直接編碼方式（3）字段間接編碼方式這種方式指的是一個(gè)字段的某些微命令還需要由另一個(gè)字段中的某些微命令來解釋，如圖8-8所示。圖中字段1譯碼的某些輸出受字段2譯碼輸出的控制，由于不是靠字段直接譯碼發(fā)出微命令，故稱為字段間接編碼。圖8-8字段間接編碼方式（4）混合編碼除了上述的方法外，還有常數(shù)字段，微操作碼字段等方式，但在實(shí)際的微指令控制字段設(shè)計(jì)中，常常把上述各種方法混合使用，以便能綜合考慮微指令的字長、靈活性和微程序執(zhí)行的速度等方面的要求。8.2.4微地址的形成方式當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令，稱為現(xiàn)行微指令，現(xiàn)行微指令所在的控制存儲器單元的地址稱為現(xiàn)行微地址?，F(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，下一條要執(zhí)行的微指令稱為后繼微指令，后繼微指令所在的控制存儲器單元地址稱為后繼微地址。所謂微程序流的控制就是指現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢時(shí)，如何控制得到后繼微指令的地址。（1）微程序入口地址的形成當(dāng)電源加電后，第一條微指令的地址可由專門的硬件電路產(chǎn)生，該微指令通常是實(shí)現(xiàn)取指令操作，比如把取指微指令放到控存的零地址處，機(jī)器加電后，通過硬件清“0”即得到了相應(yīng)取指微指令的地址，從而控制實(shí)現(xiàn)取第一條指令，開始程序的執(zhí)行過程。（2）由指令操作碼產(chǎn)生取指微指令執(zhí)行完后，得到了一條機(jī)器指令，接下來機(jī)器的操作應(yīng)按照指令的功能要求進(jìn)行，所以后繼要執(zhí)行的微指令就和指令的操作碼有關(guān)，也即需要由指令的操作碼找到該指令對應(yīng)的微程序。此時(shí)的微地址形成部件實(shí)際是一個(gè)編碼器，其輸入為指令操作碼，輸出就是對應(yīng)該機(jī)器指令微程序的首地址。它也可采用設(shè)置MAPROM來實(shí)現(xiàn)，以指令的操作碼作為ROM的地址，而相應(yīng)的存儲單元內(nèi)容就是對應(yīng)該機(jī)器指令微程序的首地址。這種方法對于實(shí)現(xiàn)根據(jù)操作碼的多重分支非常方便易實(shí)現(xiàn)，但ROM的讀操作過程稍微降低了執(zhí)行速度。（3）由微指令的下址字段指出后繼微地址（斷定方式）由于微指令格式中包括下址字段，所以對現(xiàn)行微指令來說，可以把它的后繼微指令地址信息直接包括在它的下址字段處。當(dāng)現(xiàn)行微指令執(zhí)行完后，把它的下址字段取出直接作為后繼微地址對控存訪問，即可得到后繼微指令。（4）以增量方式產(chǎn)生后繼微地址當(dāng)微程序在控存中順序存放時(shí)，可以以增量方式產(chǎn)生后繼微地址，即由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量（通常為1）形成。在需要轉(zhuǎn)移時(shí)，需要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址，可由相應(yīng)的邏輯電路產(chǎn)生。如圖8-9為該方式的控制器原理圖。圖8-9增量方式的原理圖圖中μPC為微程序計(jì)數(shù)器，作為訪問控存的地址寄存器，和機(jī)器指令執(zhí)行時(shí)的PC功能相似。下址字段僅有兩位，其功能是選擇三個(gè)輸入源中的一個(gè)作為μPC的輸入，而微程序入口是由專門的硬件產(chǎn)生的，不受下址字段控制。（5）增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址此種方式通常將微指令的下址字段分成兩部分：轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF，當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，將BAF送μPC，否則順序執(zhí)行下一條微指令（μPC+1）。如圖8-10所示。圖8-10增量與下址字段方式的原理圖執(zhí)行微程序條件轉(zhuǎn)移時(shí)，決定轉(zhuǎn)移與否的硬件條件有好幾種，此時(shí)BCF字段可采用直接控制也可采用編碼方式，當(dāng)采用直接控制時(shí)，BCF的每一位表示一種判斷條件，當(dāng)轉(zhuǎn)移條件成立時(shí)，由BAF字段作為后繼微地址送μPC，當(dāng)條件不成立時(shí)，實(shí)現(xiàn)μPC+1。當(dāng)采用編碼方式時(shí)，由BCF字段的編碼信息表示要判斷的轉(zhuǎn)移條件。其中BAF的長度可有兩種情況：第一，與μPC的位數(shù)相等，可以跳轉(zhuǎn)到控制存儲器的任意一個(gè)單元。第二，比μPC短，考慮到轉(zhuǎn)移點(diǎn)在μPC附近，或者在控制存儲器的某區(qū)域內(nèi)，所以由原來μPC的若干位與BAF組合成轉(zhuǎn)移微地址。8.2.5微指令格式及執(zhí)行方式1、微指令的格式微指令格式與微指令的編碼方式有關(guān)，通常分為水平型微指令和垂直型微指令兩種。（1）水平型微指令水平型微指令的特點(diǎn)是一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作的微命令。圖8-3就是典型的水平型微指令。從編碼方式看，直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼等都屬于水平型微指令。其中直接編碼速度最快，字段編碼要經(jīng)過譯碼，故速度受影響。（2）垂直型微指令垂直型微指令的特點(diǎn)是采用類似機(jī)器指令操作碼的方式，在微指令字中，設(shè)置微操作碼字段，由微操作碼規(guī)定微指令的功能。通常一條微指令有1~2個(gè)微命令，控制1~2種操作。這種微指令不強(qiáng)調(diào)其并行控制能力。2、動態(tài)微程序與毫微程序在一臺微程序控制的計(jì)算機(jī)中，假如能根據(jù)用戶的要求改變微程序，那么這臺機(jī)器就具有動態(tài)微程序設(shè)計(jì)功能。動態(tài)微程序設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是為了使計(jì)算機(jī)能更靈活、更有效地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用目標(biāo)。但動態(tài)微程序設(shè)計(jì)需要可寫控制存儲器的支持，還要求用戶對計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成非常熟悉，因此真正由用戶自行編寫微程序是很困難的。微程序可看作是解釋機(jī)器指令的，毫微程序可看作是解釋微程序的，因此組成毫微程序的毫微指令就可看作是解釋微指令的微指令。采用毫微程序設(shè)計(jì)的主要目的是減少控制存儲器的容量，采用的是兩級微程序設(shè)計(jì)方法。通常第一級采用垂直型微程序，第二級采用水平型微程序。圖8-11毫微程序控制結(jié)構(gòu)3、微程序執(zhí)行方式與機(jī)器指令一樣，完成一條微指令可分成兩個(gè)階段：取微指令和執(zhí)行微指令。前者指的是將微指令從控制存儲器中取出，對于垂直型微指令還包括微操作碼譯碼的時(shí)間。后者指的是執(zhí)行微指令所規(guī)定的各個(gè)操作。根據(jù)這兩步是串行還是并行進(jìn)行而具有下述的兩種執(zhí)行方式。（1）串行方式串行方式下，微指令的執(zhí)行過程如圖8-12所示。其中，執(zhí)行一條微指令所需要的時(shí)間稱為微周期。由于一條指令的功能需要執(zhí)行若干條微指令