6 · 4 微程序控制器.ppt

6 4 6 4 微程序控制器微程序控制器微程序控制器的设计思想微程序控制器的设计思想微程序控制器：用一个存储在微程序控制器：用一个存储在ROMROM中的微程序产生微操作控制信号。中的微程序产生微操作控制信号。把指令执行中的每一个步骤所需要的所有控制信号编成微指令把指令执行中的每一个步骤所需要的所有控制信号编成微指令（控制字）预先存放在控制存储器（控制字）预先存放在控制存储器（ROMROM）中，在指令的执行过程）中，在指令的执行过程中根据需要从控制存储器中读取控制信号值，并送到各个部件的控中根据需要从控制存储器中读取控制信号值，并送到各个部件的控制端。制端。指令执行的一步所需的所有控制信号编成微指令，一条指令执指令执行的一步所需的所有控制信号编成微指令，一条指令执行需要若干步，则需要若干条微指令，这样由若干条微指令序列则行需要若干步，则需要若干条微指令，这样由若干条微指令序列则构成一个微程序。构成一个微程序。一、微程序和微指令一、微程序和微指令 在微程序控制的计算机中，用来管理控制门的打开或关在微程序控制的计算机中，用来管理控制门的打开或关 闭的控闭的控 制命令（或控制信号）。它是控制信息传送的控制命令（或控制信号）。它是控制信息传送的控 制命令，它是控制信号序列的最小单位。控制字的每一制命令，它是控制信号序列的最小单位。控制字的每一 位就是一个微命令。它控制其它部件产生一个微操作。位就是一个微命令。它控制其它部件产生一个微操作。1 1、微命令：、微命令：2 2、微操作：、微操作：一个微命令所控制实现的操作过程。它是构成指令操作一个微命令所控制实现的操作过程。它是构成指令操作序列或其他处理过程的操作序列最基本的，不可再分解序列或其他处理过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号，而微操作微命令的操作。微命令是微操作的控制信号，而微操作微命令的操作过程。的操作过程。3 3、微指令：、微指令：是若干个微命令的组合。它可产生一组控制信号。一微是若干个微命令的组合。它可产生一组控制信号。一微指令包含操作控制部分和顺序控制部分。微指令通常以指令包含操作控制部分和顺序控制部分。微指令通常以编码字（控制字）的形式存放在控制存储器中。编码字（控制字）的形式存放在控制存储器中。4 4、微周期：、微周期：取出一条微指令并执行该微指令所需要的全部时间。取出一条微指令并执行该微指令所需要的全部时间。5 5、微程序：、微程序：是一系列微指令的有序集合。若干条有序的微指令组是一系列微指令的有序集合。若干条有序的微指令组成一个微指令组，可以控制实现一条机器指令。每组成一个微指令组，可以控制实现一条机器指令。每组微指令就是一段微程序。所有的微指令组的总和就是微指令就是一段微程序。所有的微指令组的总和就是 整个计算机指令系统的微程序，它控制实现机器的整整个计算机指令系统的微程序，它控制实现机器的整个指令系统的处理过程个指令系统的处理过程。微操作码微操作码 微地址码微地址码6 6、微程序和程序的区别、微程序和程序的区别 微程序是由微指令构成的，用于描述机器指令。在设计计算机时，微程序是由微指令构成的，用于描述机器指令。在设计计算机时，将它预先编制好，存入将它预先编制好，存入ROMROM中，供用户使用，通常微程序不允许用中，供用户使用，通常微程序不允许用户修改。户修改。程序是由机器指令构成的，是用户或软件设计人员编写的，并存程序是由机器指令构成的，是用户或软件设计人员编写的，并存于主存或外存中，允许修改。于主存或外存中，允许修改。7 7、指令操作与微操作区别、指令操作与微操作区别 指令操作是存储在主存中的指令所指定的操作，控制器根据操作指令操作是存储在主存中的指令所指定的操作，控制器根据操作码发出一系列控制信号，完成指令指定的操作。码发出一系列控制信号，完成指令指定的操作。微操作是存储在控制存储器中的微指令所指定的操作，控制器根微操作是存储在控制存储器中的微指令所指定的操作，控制器根据微指令发出一系列控制信号，完成微指令指定的操作。据微指令发出一系列控制信号，完成微指令指定的操作。8 8、微指令的格式、微指令的格式（1 1）微操作码：）微操作码：包含指令执行的一个步骤中所包含的全部微命令的包含指令执行的一个步骤中所包含的全部微命令的编码，即一条微指令所需的全部控制信号的编码，编码，即一条微指令所需的全部控制信号的编码，用来发出操作控制信号。用来发出操作控制信号。（2 2）微地址码：）微地址码：用来产生下一条微指令的地址，指出下一条微指用来产生下一条微指令的地址，指出下一条微指 令代码在控制存储器中的存储位置。令代码在控制存储器中的存储位置。微操作码微操作码 微地址微地址状态条件状态条件微操作信号微操作信号微地址微地址形成部件形成部件OP IRCMAR译码驱动译码驱动控制存储器控制存储器二、微程序控制原理二、微程序控制原理（一）组成（一）组成1 1、控制存储器（、控制存储器（C MC M）存放实现计算机指令系统的存放实现计算机指令系统的所有微程序，由所有微程序，由ROM(EPROM)ROM(EPROM)实现。控制存储器的字长是微实现。控制存储器的字长是微指令字的长度。控制存储器的指令字的长度。控制存储器的容量取决于指令的数量和每条容量取决于指令的数量和每条指令的微程序长度，也取决于指令的微程序长度，也取决于微指令代码的利用率。微指令代码的利用率。2 2、微指令寄存器（、微指令寄存器（CMIRCMIR）存放由控制存储器读出的一条微指令信息。存放由控制存储器读出的一条微指令信息。3 3、微地址寄存器（、微地址寄存器（CMARCMAR）：）：存放将要访问的下一条微指令的微地址。存放将要访问的下一条微指令的微地址。4 4、微地址形成部件：、微地址形成部件：能测试执行中的状态信息，修改微地址寄存器能测试执行中的状态信息，修改微地址寄存器的内容，以便按修改后的内容去读下一条指令。的内容，以便按修改后的内容去读下一条指令。CMIRC.M（二）工作原理（二）工作原理1、取指阶段、取指阶段（1）将取指微程序首地址置于）将取指微程序首地址置于CMAR中。中。（2）读微指令。）读微指令。（3）产生微操作命令。）产生微操作命令。（4）形成下一条微指令地址。）形成下一条微指令地址。（5）取下一条微指令。）取下一条微指令。重复（重复（1）（4）过程，直到该机）过程，直到该机 器指令送入器指令送入IR为止。为止。2、执行阶段、执行阶段（1）当指令存入）当指令存入IR后，由指令的后，由指令的OP部分送到微地址形成部件，形部分送到微地址形成部件，形 成该指令对应的微程序的首地址。成该指令对应的微程序的首地址。（2）读出微指令。）读出微指令。（3）产生微操作命令。）产生微操作命令。（4）形成下一条微指令地址。）形成下一条微指令地址。重复（重复（1）（4）过程，直）过程，直 到该机器指令执行完为止。到该机器指令执行完为止。微程序的入口地址的形成微程序的入口地址的形成 是是译码器译码器根据指令的根据指令的操作码操作码产生的。产生的。微程序控制器的特点微程序控制器的特点（1 1）具有规整性、可维护性和灵活性的优点。具有规整性、可维护性和灵活性的优点。（2 2）它是一种利用软件方法来设计硬件的技术，可实现复杂指令）它是一种利用软件方法来设计硬件的技术，可实现复杂指令 的操作控制。的操作控制。（3 3）可以方便地增加和修改指令，甚至可实现其他计算机的指令。）可以方便地增加和修改指令，甚至可实现其他计算机的指令。三、微指令控制方式及微地址形成方式三、微指令控制方式及微地址形成方式1 1、设计微指令的目的、设计微指令的目的 缩短微指令长度，减小控制存储器的容量，提高微程序的执行缩短微指令长度，减小控制存储器的容量，提高微程序的执行速度，便于微指令的修改，便于微程序设计的灵活性。速度，便于微指令的修改，便于微程序设计的灵活性。2 2、微操作的相容性和相斥性、微操作的相容性和相斥性相容性：在同一微周期中可以同时出现的微命令。相容性：在同一微周期中可以同时出现的微命令。相斥性：在同一微周期中不能同时出现的微命令。相斥性：在同一微周期中不能同时出现的微命令。在微指令编码时要考虑控制信号间的相容性和相斥性，在微指令编码时要考虑控制信号间的相容性和相斥性，相斥的分在相斥的分在同一组中，相容的分中不同组中。同一组中，相容的分中不同组中。R1R2R3ALU锁存器A1：+2：-3：M锁存器B4：R1A5：R2A6：R3A7：R1B8：R2B9：R3B10：BUSR111：BUSR212：BUSR3相斥的微命令相斥的微命令1、+、-、M 2、R1A、R2A、R3A3、R3B 、R2B、R1B4、BUS R1 、BUS R2 、BUS R3 X X00：不操作01：+10：-11：MX X00：不操作01：R1 A10：R2 A11：R3 AX X00：不操作01：R1 B10：R1 B11：R1 BX X00：不操作01：BUSR110：BUSR211：BUSR33 3、微指令控制方式（微指令编码方式、微指令控制方式（微指令编码方式）微指令中的微操作码字段如何形成微操作命令。微指令中的微操作码字段如何形成微操作命令。（1 1）直接控制）直接控制(编码）方式编码）方式 利用微操作码各位的状态，直接作为微操作命令信号去控制利用微操作码各位的状态，直接作为微操作命令信号去控制被控部件。被控部件。特点：特点：简单直观，其输出直接用于控制，产生控制信号的速度快。简单直观，其输出直接用于控制，产生控制信号的速度快。微指令代码长，微代码的编码效率低。微指令代码长，微代码的编码效率低。（2 2）字段直接编码方式）字段直接编码方式 将微操作码分成几个字段，将相容性的微命令分在将微操作码分成几个字段，将相容性的微命令分在 不同字段不同字段内，将相斥性的微命令分在同一字段内，然后将每一个字段经译码内，将相斥性的微命令分在同一字段内，然后将每一个字段经译码后，发出各个微操作命令。后，发出各个微操作命令。特点：微指令代码短，编码效率高，控制信号产生的速度慢。特点：微指令代码短，编码效率高，控制信号产生的速度慢。（3 3）字段间接编码方式）字段间接编码方式 各字段的译码信号不能直接用作微操作命令，必须由其化字各字段的译码信号不能直接用作微操作命令，必须由其化字段或某些特征触发器的状态作为补充解释或相互配合，才能使微操段或某些特征触发器的状态作为补充解释或相互配合，才能使微操作命令有确切含义。作命令有确切含义。特点：可缩短指令字长、减少控制存储器的容量。特点：可缩短指令字长、减少控制存储器的容量。4 4、微地址的形成方法：形成下一条微指令地址的方法。、微地址的形成方法：形成下一条微指令地址的方法。（1 1）计数器方式）计数器方式 用微程序计数器用微程序计数器PCPC来产生下一条微指令的地址，将微程序来产生下一条微指令的地址，将微程序中的各条微指令按执行顺序安排在控制存储器中，后继微地址由现中的各条微指令按执行顺序安排在控制存储器中，后继微地址由现行微地址加上一个增量来得到。在非顺序方式执行微指令时，通过行微地址加上一个增量来得到。在非顺序方式执行微指令时，通过转移方式，用一条转移微指令转向执行指定后继微地址的下一条微转移方式，用一条转移微指令转向执行指定后继微地址的下一条微指令。在微指令格式中有标志位来区分转移微指令和控制微指令。指令。在微指令格式中有标志位来区分转移微指令和控制微指令。PCPC在一般情况下是加在一般情况下是加1 1 产生下一条微指令的地址的。除非遇到如产生下一条微指令的地址的。除非遇到如下情况下情况微程序结束，微程序结束，PCPC复位到起始微地址。复位到起始微地址。当一个新的指令装入当一个新的指令装入IRIR时，时，PCPC中装入该指令的执行阶段的起始中装入该指令的执行阶段的起始微地址。微地址。在遇到转移微指令并转移条件满足时，在遇到转移微指令并转移条件满足时，PCPC装入转移目标的微装入转移目标的微地址。地址。特点：实现方法直观，顺序控制字较短，微地址生成机构简单。由特点：实现方法直观，顺序控制字较短，微地址生成机构简单。由 于微指令发生转移的概率高，需要在微程序中增加许多转移于微指令发生转移的概率高，需要在微程序中增加许多转移 微指令，所以会降低执行速度。微指令，所以会降低执行速度。（2 2）断定方式）断定方式 在每一条微指令中增加转移功能，每条微指令既可以有控制在每一条微指令中增加转移功能，每条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。在断定方式中，其他部件的功能，又具有控制微程序流程的功能。在断定方式中，引入两个下地址字段，根据条件选择其中一个下地址字段作为下一引入两个下地址字段，根据条件选择其中一个下地址字段作为下一条微指令的微地址。下一条微指令的微地址则包含在当前微指令的条微指令的微地址。下一条微指令的微地址则包含在当前微指令的代码中，每一条微指令都具有分支的功能，不需专门的转移微指令。代码中，每一条微指令都具有分支的功能，不需专门的转移微指令。特点：无需特点：无需PCPC来指定下一条微指令的微地址，灵活性好，执行速来指定下一条微指令的微地址，灵活性好，执行速 度快。但增加了微指令代码的长度，而且不能有效的解决条度快。但增加了微指令代码的长度，而且不能有效的解决条 件转移以及多路分支问题。件转移以及多路分支问题。（3 3）结合方式）结合方式 微指令的格式由微指令控制字段、条件选择字段和转移地址微指令的格式由微指令控制字段、条件选择字段和转移地址字段三部分组成。字段三部分组成。控制字段产生微操作控制信号。控制字段产生微操作控制信号。条件选择字段用于规定条件转移微指令要测试的外部条件。条件选择字段用于规定条件转移微指令要测试的外部条件。转移地址字段当条件满足时用它作为下一个微指令的微地址，否转移地址字段当条件满足时用它作为下一个微指令的微地址，否则用则用 PCPC产生下一条微指令的微地址。产生下一条微指令的微地址。四、微指令的重叠四、微指令的重叠 在同一节拍内，两个微操作的被控对象互不干涉，则可将两个在同一节拍内，两个微操作的被控对象互不干涉，则可将两个微操作安排在同一时刻。微操作安排在同一时刻。五、微程序的设计步骤五、微程序的设计步骤1、根据微操作命令的执行顺序安排节拍，并由些编出微操作时间、根据微操作命令的执行顺序安排节拍，并由些编出微操作时间 表。表。2、根据微操作的数目，确定微指令的控制方式及微指令下一地址、根据微操作的数目，确定微指令的控制方式及微指令下一地址 的形成方式，从而确定微指令的格式和字长。的形成方式，从而确定微指令的格式和字长。3、由微指令格式，编写全部微指令的代码。、由微指令格式，编写全部微指令的代码。例例1 1：在微程序控制器中，控制存储器的容量是：在微程序控制器中，控制存储器的容量是10241024字字3232位，微位，微指令有控制字、指令有控制字、BCFBCF和和BAFBAF三个字段，控制字为三个字段，控制字为1616位。求位。求BCFBCF和和BAFBAF字段各为多少位？（字段各为多少位？（BCFBCF转移控制字段，用于测试指令是否转移；转移控制字段，用于测试指令是否转移；BAFBAF转移地址字段，用于产生下一条微指令的地址。）转移地址字段，用于产生下一条微指令的地址。）练习练习1 1：已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为：已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512X48512X48位）。微指令字长为位）。微指令字长为4848位，微程序可在整个控制存储器中位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制微程序转移的条件共实现转移，可控制微程序转移的条件共4 4个（直接控制）。求微指个（直接控制）。求微指令中的三个字段分别为多少位？令中的三个字段分别为多少位？微指令字段微指令字段BCFBAF练习练习2 2：某机采用微程序控制器设计，已知每一条机器指令的执行：某机采用微程序控制器设计，已知每一条机器指令的执行过程均可分解成过程均可分解成8 8条微指令组成的微程序，该机指令系统采用条微指令组成的微程序，该机指令系统采用6 6位定位定长操作码格式，控制存储器至少应能容纳多少条微指令。长操作码格式，控制存储器至少应能容纳多少条微指令。练习练习3 3：已知某计算机有：已知某计算机有8080条指令，平均每条指令由条指令，平均每条指令由1212条微指令组条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公有的，设微指令为成，其中有一条取指微指令是所有指令公有的，设微指令为3232位。位。求：微指令所占的单元数及控制存储器的容量各为多少？求：微指令所占的单元数及控制存储器的容量各为多少？练习练习4 4：某机共有：某机共有5555个微操作控制信号，构成个微操作控制信号，构成5 5个相斥类的微命令个相斥类的微命令组，各组分别包含组，各组分别包含4 4、7 7、8 8、1212和和2424个微命令。已知可判断的外部个微命令。已知可判断的外部条件有条件有CFCF、OFOF和和ZFZF三个，微指令字长三个，微指令字长3030位。位。（1 1）设计采用断定方式时水平微指令的格式，）设计采用断定方式时水平微指令的格式，（2 2）并求出控制存储器的容量。）并求出控制存储器的容量。R1R2R3ALU锁存器A123锁存器B456789101112已知某运算器的基本结构如图所示，它具有已知某运算器的基本结构如图所示，它具有+（加）、（加）、-（减）、（减）、M（传送）三种操作。（传送）三种操作。（1）写出图中）写出图中112表示的运算器操作的微命令。表示的运算器操作的微命令。（2）指出相斥性的操作）指出相斥性的操作（3）设计适合此运算器的微指令格式）设计适合此运算器的微指令格式（一）图示的运算器操作的微命令分别是（一）图示的运算器操作的微命令分别是1、+2、-3、M 4、R1A 5、R2A 6、R3A 7、R3B 8、R2B 9、R1B10、BUS R1 11、BUS R2 12、BUS R3（二）相斥的微命令（二）相斥的微命令1、+、-、M 2、R1A、R2A、R3A3、R3B 、R2B、R1B4、BUS R1 、BUS R2 、BUS R3（三）微指令的格式（三）微指令的格式X X00：不操作01：+10：-11：MX X00：不操作01：R1 A10：R2 A11：R3 AX X00：不操作01：R1 B10：R1 B11：R1 BX X00：不操作01：BUSR110：BUSR211：BUSR3