第5章中央处理办法器
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第5章中央处理办法器
基本概念 微命令 微操作 微指令 微程序 控制存储器 微地址
第5章中央处理办法器
5.4 微程序控制器
中央处理器
5.4.1 微命令和微操作 5.4.2 微指令和微程序 5.4.3 微程序控制器原理框图 5.4.4 微程序举例 5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系 5.4.6 机器指令与微指令的关系
控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。
第5章中央处理办法器
中央处理器
微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据
通路的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两 种。
相容性的微操作：在同时或同一个CPU周期内
可以并行执行的微操作。
相斥性的微操作：不能在同时或不能在同一个
CPU周期内并行执行的微操作。
第5章中央处理办法器
1.控制存储器CM
中央处理器
CM存放实现全部指令系统的微程序,它是ROM。 一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工 作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指 令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微 指令……。
“读出一条微指令并执行该微指令的时间总和” 称为一个微指令周期。
节拍电位信号
“+”
节拍脉冲信号
600ns
200ns
CPU周期
第5章中央处理办法器
中央处理器
微程序： 实现一条机器指令功能的若 干条微指令组成的序列。
既然微程序是由微指令组成的，那么当执行当前 一条微指令时，必须指出后继微指令的地址，以 便当前一条微指令执行完毕后，取出下一条微指 令。 形成后继微指令地址的方法有多种。 此例中用18-23位信息来决定后继微指令地址。
第5章中央处理办法器
简单运算器数据通路
Cy X
ALU
+ M
Y
5
4 6
DR
7
8
9
R1
R2
R3
1
2
3
哪些是相容性的微操第作5章中？央哪处理些办法器是相斥性的微操作？
5.4.2 微指令和微程序
中央处理器
• 微指令：在机器的一个CPU周期中，一 组实现一定操作功能的微命令的组合， 构成一条微指令。
第5章中央处理办法器
第5章中央处理办法器
• 用BCD码完成a+b运算
第5章中央处理办法器
2.微指令寄存器
中央处理器
微指令寄存器（µIR）用来存放由控制存储 器读出的一条微指令信息。
➢ 其中微地址寄存器(µAR)决定将要访问的 下一条微指令的地址；
➢ 微命令寄存器则保存一条微指令的操作控 制字段和判别测试字段P的信息。
第5章中央处理办法器
3.地址转移逻辑
中央处理器
计算机组成原理
第5章 中央处理器
第5章中央处理办法器
5.4 微程序控制器
中央处理器
微程序控制器同硬布线控制器相比较，具有
规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。是利 用软件方法来设计硬件的一门技术。
微程序控制的基本思想就是把操作控制信号
编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。 当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令， 从而产生全机所需要的各种操作控制信号，是相 应部件执行所规定的操作。
第5章中央处理办法器
中央处理器
5.4.3 微程序控制器原理框图
它主要由控制存储器、微指令寄存器 和地址转移逻辑三大部分组成。
第5章中央处理办法器
微程序控制器原理框图
指令寄存器
OP
状态条件
地址译码
控制存储器 CM
微地址寄存器µAR
地址转移 逻辑
微命令 信号
P字段 控制字段 微命令寄存器
微指令寄存器µIR
第5章中央处理办法器
5.4.1 微命令和微操作
中央处理器
一台数字计算机可以分为两大部分——控制部件和 执行部件。
微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的
各种控制命令。
微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作。
执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况即反 馈信息，以便使控制部件根据执行部件的“状态”来下 达新的微命令,这也叫做“状态测试”。
操作控制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
顺序控制
操 指作挥控全制机部 工分 作的：控用制来信发顺形号出序成管控下理制一和部条分微指：令用的来地决址定如何 第5章中央处理办法器
节拍电位和节拍脉冲
中央处理器
节拍电位：上图的微指令中给出的控制信号都是节 拍电位信号，它们的持续时间都是一个CPU周期。
节拍脉冲由环形脉冲发生器产生，一个节拍电位 持续时间正好包容若干个节拍脉冲。
第5章中央处理办法器
CM的一个单元的内容即控制字代表了某一个 节拍的一组微操作控制信号的信息，而把CM单元 的地址称为“微地址”。
在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就 是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就 是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统 而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的 要求是速度快，读出周期要短。
微指令的一般格式为：
操作控制字段
顺序控制字段
LDR1’ LDR3’ R1→Y R2→Y R3→Y M RD’ LDIR’ PC+1
LDR2’ R1→X R2→X DR→X +
-
LDDR’ LDAR’ P1 P2
直接地址
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
１ ２ ３ 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
微地址：下一条微指令的地址。 一般情况下，微指令由CM读出后直接给出微地址。 微地址信息送入微地址寄存器µ AR中。 如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地 址就直接由µ AR给出。
当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件 转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部 件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器 µ AR的内容，并按改好的微地址去读下一条微指令。 这一功能就由地址转移逻辑来承担，其可以根据转 移条件，自动完成修改微地址的任务。
第5章中央处理办法器
5.4.4 微程序举例
中央处理器
一条机器指令是由一段微程序来实现的。下面以 “十进制加法”指令为例，说明微程序控制的过程。 1、十进制加法算法
两个BCD码十进制数位相加，必须进行“加6校正”。 由此可推知如下十进制加法算法： 设：被加数为a，加数为b， ⑴ 先做 (S=a+b+6)运算，然后判断进位标志Cy； ⑵ 若 Cy=1(有进位)，则本位结果正确（向高位有 进位）；若 Cy=0（无进位），则本位结果不对， 做（S-6）运算，恢复原来正确的结果（S'=a+b）。
基本概念 微命令 微操作 微指令 微程序 控制存储器 微地址
第5章中央处理办法器
5.4 微程序控制器
中央处理器
5.4.1 微命令和微操作 5.4.2 微指令和微程序 5.4.3 微程序控制器原理框图 5.4.4 微程序举例 5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系 5.4.6 机器指令与微指令的关系
控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。
第5章中央处理办法器
中央处理器
微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据
通路的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两 种。
相容性的微操作：在同时或同一个CPU周期内
可以并行执行的微操作。
相斥性的微操作：不能在同时或不能在同一个
CPU周期内并行执行的微操作。
第5章中央处理办法器
1.控制存储器CM
中央处理器
CM存放实现全部指令系统的微程序,它是ROM。 一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工 作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指 令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微 指令……。
“读出一条微指令并执行该微指令的时间总和” 称为一个微指令周期。
节拍电位信号
“+”
节拍脉冲信号
600ns
200ns
CPU周期
第5章中央处理办法器
中央处理器
微程序： 实现一条机器指令功能的若 干条微指令组成的序列。
既然微程序是由微指令组成的，那么当执行当前 一条微指令时，必须指出后继微指令的地址，以 便当前一条微指令执行完毕后，取出下一条微指 令。 形成后继微指令地址的方法有多种。 此例中用18-23位信息来决定后继微指令地址。
第5章中央处理办法器
简单运算器数据通路
Cy X
ALU
+ M
Y
5
4 6
DR
7
8
9
R1
R2
R3
1
2
3
哪些是相容性的微操第作5章中？央哪处理些办法器是相斥性的微操作？
5.4.2 微指令和微程序
中央处理器
• 微指令：在机器的一个CPU周期中，一 组实现一定操作功能的微命令的组合， 构成一条微指令。
第5章中央处理办法器
第5章中央处理办法器
• 用BCD码完成a+b运算
第5章中央处理办法器
2.微指令寄存器
中央处理器
微指令寄存器（µIR）用来存放由控制存储 器读出的一条微指令信息。
➢ 其中微地址寄存器(µAR)决定将要访问的 下一条微指令的地址；
➢ 微命令寄存器则保存一条微指令的操作控 制字段和判别测试字段P的信息。
第5章中央处理办法器
3.地址转移逻辑
中央处理器
计算机组成原理
第5章 中央处理器
第5章中央处理办法器
5.4 微程序控制器
中央处理器
微程序控制器同硬布线控制器相比较，具有
规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。是利 用软件方法来设计硬件的一门技术。
微程序控制的基本思想就是把操作控制信号
编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。 当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令， 从而产生全机所需要的各种操作控制信号，是相 应部件执行所规定的操作。
第5章中央处理办法器
中央处理器
5.4.3 微程序控制器原理框图
它主要由控制存储器、微指令寄存器 和地址转移逻辑三大部分组成。
第5章中央处理办法器
微程序控制器原理框图
指令寄存器
OP
状态条件
地址译码
控制存储器 CM
微地址寄存器µAR
地址转移 逻辑
微命令 信号
P字段 控制字段 微命令寄存器
微指令寄存器µIR
第5章中央处理办法器
5.4.1 微命令和微操作
中央处理器
一台数字计算机可以分为两大部分——控制部件和 执行部件。
微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的
各种控制命令。
微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作。
执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况即反 馈信息，以便使控制部件根据执行部件的“状态”来下 达新的微命令,这也叫做“状态测试”。
操作控制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
顺序控制
操 指作挥控全制机部 工分 作的：控用制来信发顺形号出序成管控下理制一和部条分微指：令用的来地决址定如何 第5章中央处理办法器
节拍电位和节拍脉冲
中央处理器
节拍电位：上图的微指令中给出的控制信号都是节 拍电位信号，它们的持续时间都是一个CPU周期。
节拍脉冲由环形脉冲发生器产生，一个节拍电位 持续时间正好包容若干个节拍脉冲。
第5章中央处理办法器
CM的一个单元的内容即控制字代表了某一个 节拍的一组微操作控制信号的信息，而把CM单元 的地址称为“微地址”。
在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就 是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就 是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统 而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的 要求是速度快，读出周期要短。
微指令的一般格式为：
操作控制字段
顺序控制字段
LDR1’ LDR3’ R1→Y R2→Y R3→Y M RD’ LDIR’ PC+1
LDR2’ R1→X R2→X DR→X +
-
LDDR’ LDAR’ P1 P2
直接地址
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
１ ２ ３ 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
微地址：下一条微指令的地址。 一般情况下，微指令由CM读出后直接给出微地址。 微地址信息送入微地址寄存器µ AR中。 如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地 址就直接由µ AR给出。
当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件 转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部 件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器 µ AR的内容，并按改好的微地址去读下一条微指令。 这一功能就由地址转移逻辑来承担，其可以根据转 移条件，自动完成修改微地址的任务。
第5章中央处理办法器
5.4.4 微程序举例
中央处理器
一条机器指令是由一段微程序来实现的。下面以 “十进制加法”指令为例，说明微程序控制的过程。 1、十进制加法算法
两个BCD码十进制数位相加，必须进行“加6校正”。 由此可推知如下十进制加法算法： 设：被加数为a，加数为b， ⑴ 先做 (S=a+b+6)运算，然后判断进位标志Cy； ⑵ 若 Cy=1(有进位)，则本位结果正确（向高位有 进位）；若 Cy=0（无进位），则本位结果不对， 做（S-6）运算，恢复原来正确的结果（S'=a+b）。