实验七、八微程序2012

微程序控制器的设计步骤
（1）设计微程序 确定微程序流程图，也就是控制算法流程图。 （2）确定微指令格式 微指令格式中的操作控制字段取决于执行部件的子系 统需要多少微指令。假定采用直接控制方式，执行部 件需要15个微命令，则操作控制字段需要15位。 测试判别字段取决于微程序流程图中有多少处分支 转移。假定有3处分支，则测试判别字段需要3位。 下址字段取决于微程序流程图的规模。假定微程序共 用50条微指令，则下址字段至少需要6位。这是因为 ROM地址译码时，26=64，6位地址可容纳64条微指令。 （3）将微程序编译成二进制代码 （4）微程序写入控制存储器 （5）设计硬件电路
Cpu设计步骤： 1. 拟定指令系统 2. 确定总体结构（数据通路） 3. 安排时序 4. 拟定指令流程。根据指令系统，写出对应所有机器指 令的全部微操作，然后列出操作时间表 5. 确定微指令的控制方式、下地址形成方式、微指令格 式及微指令字长，编写全部的微指令的代码，最后将 编写的微指令放入控制存储器中。
4、绘微程序的流程图 5、依据微程序的流程图给出微程序编码
常用下地址生成方法： 计数器方法、 真量方式与断定方式结合方法 多路转移方法 每条机器指令的操作码如何与其微程序人口地址对应，通过编 码方法将指令码的状态分成不同的几个，在用微地址进行编码
实验内容：单总线，采用微程序控制，寻址方式：采用直接 （ ，寄存器，寄存器间接，变址）。 微程序控制器控制方式由微指令译码产生
采用直接控制方法 15个控制信号，5位下地址 可根据需要扩展
微指令格式 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4～ 0
Load- ACC- Load- PC-bus Load-Load- MDR- Load- ALU- INC- AddrR- ALU- ALUCS NW add sub 下址 PC bus ACC IR MAR bus MDR ACC PC bus
Pc_bus
Load_IR Load_MAR
MDR_bus
Load_MDR ALU_ACC INC_PC ADDR_bus
格式、寻址方式、指令类型设置 • 4、拟定指令系统。
指令格式 3位
操作码
5位
地址码
操作码3位，最多定义8条机 器指令 数据传输范围 R→R, R→S S→R 寻址方式 指令中给出操作数的地址
微程序控制基本框图
微命令序列 。。。 指令代码 运行状态
IR PSW
微地址形成 电路
译码器
微命令字段
微地址字段
微指令寄存器
。。。。。
PC
微地址 寄存器AR
控制存储器CM
• 确定总体结构。
数据通路设计 单总线结构8位，主要包括：
cs
片选，用MAR的内容设置存储器地址
R_nw
Alu+add
Alu_sub
指令系统是设计计算机的依据，拟定指令系统将涉及基本字长、 指令格式、指令类型、寻址方式等内容。根据内存的字长，可定 基本字长8位， 指令格式：单字长，（双字长指令，在双字长指令格式中，第二 个字节一般定义为操作数或操作数地址。） 总体结构：根据要求设计数据通路
1、定义指令系统 字长8位，采用一地址指令 指令格式 操作码3位，地址码5位 操作码 000 LOAD 001 STORE 010 ADD 011 SUB 100 BNE 其中（101，110，111为今后扩展指令留用 ） 寻址方式：直接寻址 ，为了简单指令采用 一地址指令 如下 面程序 Load 4 将内存4地址的操作数送ACC累加器 Add 5 将内存5地址的操作数取出与ACC相加 Stare 6 将ACC的内容存入内存6号地址 Bne 7 判断，结果Z_flag不为0 ，跳转到内存7地址所指的地 址执行指令
19 18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5 4～0
Load- ACC- Load- PC-bus Load-Load- MDR- Load- ALU- INC- AddrR- ALU- ALUCS NW add sub 下址 PC bus ACC IR MAR bus MDR ACC PC bus
3、确定数据通路 含有那些部件，部件功能，之间的连接、指令 信息，地址信息，数据信息传递的路径，从而得 到所需要的位命令 （15个）
运算器部件 寄存器部件 ALU ACC, RAM MDR, MAR, IR, PC，均为8位8位
微程序控制逻辑部件 ： 1. 微地址形成部件 2. 控制存储器 3. 微指令寄存器 4. 微地址寄存器 5. 译码器
机器指令的编码（机器语言）
指令 Load 4 Add 5 Store 6 Bne 7 编码 000 00100 010 00101 001 00110 100 00111
指令执行的基本过程
取指令 无操作 数或操 作数在 CPU 执行指令
操作数在 内存 取操作数
3、方案选择 8位模型机设计，单总线，采用微程序控制方式。寻址方式： 直接，（寄存器，寄存器间接和变址寻址） 微程序控制方式由微指令译码器产生，一条机器指令分成 若干步执行，每一步需要若干个微命令及微指令，若干条微指令 组成一段微程序。放入控制存储器。 微程序执行过程： （1）从存储器中逐条取出 从控制存储器中逐条取出“取指微指令”执行取指令公操作。 （2）、根据指令操作码，经过微地址形成部件，得到该机器指 令微程序入口地址，并送入微地址寄存器， （3）、从控制存储器逐条读出对应的微指令并执行 （4）、执行完一条机器指令对应的微程序后又回到取指微程序 的入口微地址，继续第一步（1） （5）、采用微程序的控制，设计微指令的格式 、 操作字 段15位，下地址字段5位 （6） 操作控制字段：采用直接控制方法，位数与设计的微命 令的个数一致，
微程序控制器的结构与微指令的格式密切相关。 上图是微程序控制器的结构框图。它由控制存储器、 微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部 分组成。微地址寄存器和微命令寄存器两者的总长 度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指 令寄存器。
地址转移逻辑： 用来形成要执行的微指令的地址，形成方式一般有以下几种： 取指令公操作所对应的微程序一般安排在控制存储器的0号单 元，所以微程序的入口地址0是由硬件强制规定的。 当微程序出现分支时通过判断测试字段]微地址字段和执行部 件的反馈信息形成微地址，包括根据操作码转移情况。 微程序控制器执行过程描述 1、从CM逐条取出“取机器指令的微指令，执行取指令公操 作，执行完后，从主存取出的机器指令就已经存入指令寄存 器IR 2、根据IR中的操作码，经过地址形成部件，得到这条指令对 应的微程序入口地址。并送入微地址寄存器。 3、从CM中逐条取出对应的微指令并执行 4、执行完一条机器指令的一段微程序后，又回到取指微程序 的人口地址，继续第1步
实验七、八微程序控制器设计
2012年11
一、实验目的： 1、通过实验,进一步理解微程序控制器的组成结构。理解微程序控 制器的控制原理,掌握微指令格式和各字段功能。 2、加深理解微程序控制器的工作原理。掌握指令流程与功能 3、理解掌握微程序控制器的设计思路与方法,掌握微程序的编制、 写入、观察微程序的运行，学习基本指令的执行流程。 二、实验原理 1、微程序控制器的组成原理 控制存储器：实现整个指令系统的所有微程序，一般指令系统是 规定的由高速半导体存储器构成，容量视机器指令系统而定，取决 于微程序的个数，其长度就是微指令字的长度。 微指令寄存器：存放从控存读出的当前微指令。微操作控制字段 将操作控制信号送到控制信号线上，微地址字段指出下一条微地址 的形成。 微地址寄存器：存放将要访问的下一条微指令地址 地址转移逻辑：形成将要执行的微指令地址，形成方式： 取指令公操作所对应的微程序一般从控存的0地址开始，所以 微程序的人口地址0是由硬件控制的。当出现分支时，通过判别测
• 拟定指令流程和微命令序列。 拟定指令流程
Load
地址码
主存中的数据读入ACC
取指令
PC→MAR，PC＋1 →PC
M→MDR→IR addr→MAR M→MDR→ACC 直接寻址 指令中给出操作数的地址
执行 寻址方式
• 拟定指令流程和微命令序列。 微命令序列。
取指
取指令
PC→MAR，PC＋1 →PC CS R_NW M→MDR→IR addr→MAR
寻址方式
直接寻址
指令系统设计： load, store, add, sub, bne
7
5
4
0
机器指令格式
操作码
操作数
为了简单，指令均为一地址指令，指令字长8位 编码 000 001 010 011 100 101 110 111
微程序控制器的设计步骤
设计微命令 微操作控制信号产生 在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产 生，并且可以重复使用。 控制存储器用来实现整个指令系统的所有微 程序，一般指令系统是固定的，所以实现指令系 统的微程序也是固定的，因此控制存储器程序也 是固定的。一般采用高速半导体存储器。其容量 视机器指令系统而定。即取决于微程序的数量，
取操 作数
执行
M→MDR→ALU（ACC）
• 拟定指令流程和微命令序列。
Load:把主存内容读入ACC Store:把ACC内容存入主存 Add:主存内容与ACC相加 Sub:主存内容与ACC相减 Bne:转移
• 形成控制逻辑。
000101000100000 00001
000000000001100 00010
操作码对应的编码
LOAD →000 ，STORE→ 001，ADD→010，SUB→011， BNE→10存地址 指令 描述 0 Load 4 从mem(4)取数到ACC 1 Add 5 从mem(5)取数到总线，与ACC中的数加 2 Store 6 结果存储在MEM（6） 3 Bne 7 结果不为0，跳到7 4 2 数据2 5 其它 3 0 数据3 全为0
在系统的一个基本周期(又称机器周期，一般由几个时 钟周期组成)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。 强调两点： 第一，一条微指令的有效持续时间为一个系统基本周期， 它表示从CM中读出微指令与执行这条微指令的时间总和。 当从ROM中读出下一条微指令后，当前的这条微指令即 失效。 第二，一条微指令中包含若干个微命令，它们分头并行 地控制执行部件进行相应的微操作。 微指令除给出微命令信息外，还应给出测试判别信息。 一旦出现此信息，执行这条微指令时要对系统的有关 “状态标志”进行测试，从而实现控制算法流程图的条 件分支。微指令中还包含一个下址字段，该字段将指明 ROM中下一条微指令的地址。
1、地址转移逻辑： 用来形成要执行的微指令的地址，形成方式一般有以下 几种： 取指令公操作所对应的微程序一般安排在控制存储器的0 号单元，所以微程序的入口地址0是由硬件强制规定的。 当微程序出现分支时通过判断测试字段]微地址字段和执行部 件的反馈信息形成微地址，包括根据操作码转移情况。 微程序控制器执行过程描述 （1）、从CM逐条取出“取机器指令的微指令，执行取指令公 操，执行完后，从主存取出的机器指令就已经存入指令寄存 器IR （2）、根据IR中的操作码，经过地址形成部件，得到这条指 令对应的微程序入口地址。并送入微地址寄存器。 （3）、从CM中逐条取出对应的微指令并执行 （4）、执行完一条机器指令的一段微程序后，又回到取指微 程序的人口地址，继续第1步
Acc_bus Load_acc
读，不可写，当R_N无效且CS有效时，MDR的内容 写入存储器中 ALU中执行加 ALU中执行减 ACC总线 总线ACC P总线Z 总线IR 总线MDR MDR总线
将总线的数据装入MDR ALU的结果送ACC PC+1=PC 用IR中指令的操作码部分驱动总线
微程序控制基本框图
微命令序列 。。。 指令代码 运行状态
IR PSW
微地址形成 电路
译码器
微命令字段
微地址字段
微指令寄存器
。。。。。
PC
微地址 寄存器AR
控制存储器CM
根据微命令表，设计微指令： 微指令设计，采用直接控制 水平微指令 微命令的位置安排任意 基本格式如下：
微指令的编码
操作控制字段 下地址字段