控制器部件

I5 0110 0101 I6 1111 1000
I7 1100 0110 I8 1101 1000
2）垂直型微指令
在这种微指令中设置了微操作码字 段，采用机器指令操作码编码方法为每一 种微操作进行编码。
特点是不强调实现微指令的并行控制 功能，通常一条微指令只要能控制实现一 个微命令。
微指令格式
12345678
控制字段
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
1000 1001 1010 1011 1100
无操作 ∑→A ∑→B ∑→C A→X A→Y B→X B→Y C→X C→Y “+” “&” “-”
标志
下址 地址字段
9 10
微指令的下地址字段
控制产生后继微地址。有两种情况：
TEC-2教学计算机控制器简介
TEC-2 微程序控制器结构图
微指令转移 的控制条件
SCC Gal /CC
B 口二选一
IR.DR
A 口二选一
IR.SR
0 MRW SAI8~6 B 口 0 SST DC2 0I2~0 SBI5~3 A 口 SSHSCI DC1
/G
微下 地址
CI SCC 3~0 3~0
多出两位SA、SB，用于选择A口、B口地址来源 SA=1 A口地址来自IR的SR字段 ，SA=0 来自微码A口字段 SB=1 B口地址来自IR的DR字段 ，SB=0 来自微码B口字段
Hale Waihona Puke Baidu寄存器使用分配： R4: SP R5: PC R6: IP
约定用法：R0：I/O 指令约定使用 R0、R1：乘、除指令约定指令用
微操作控制部件
用来产生计算机各部件的所有控制信号， 其复杂程度取决于指令系统的规模和机器的硬 件结构。
分类：根据产生微操作信号的方式不同， 控制器可分成以下类型：
组合逻辑控制器 微程序控制器
4.2.4 组合逻辑控制器
定义：直接由各种类型的逻辑门产生所有 微操作信号的控制器。
注意： 每个微操作命令都是一个逻辑电路的
组成框图（以TEC-2为例）
(1)微控存：存放微程序的部件。每一个存储单元是一 条微指令，字长56位。容量为256字的ROM。
(2)微指令寄存器：存放从微控存中读出的微指令。
(3)MAPROM：依据操作码确定该条指令的微程序入口地 址。
(4)AM2910：微程序定序器。控制产生下一条微指令的 微地址。
微程序的 入口地址
读出第一条 微指令并用 于控制各部 件的操作
运算器
C
Z
ALU
V
S
R0
乘
R1
商
寄 寄存器组
存 器
Rn
数据总线
地址总线
0 单元 1单元
主存储器
n单元
微程序控制器 主振 脉冲
程序计数器
PC
控制 存储器
微程序 定序器
操作数 映射 地址
地址寄存器
微指令寄存器
指令寄存器
AR
.
操作码 IR
用于运算器 下地址字段内容
(1)控制字段的安排又分为二种形式：
水平型微指令 垂直型微指令
直接控制 分段编码
1)水平型微指令
基本特点是在一条微指令中定义并执行 多个并行操作微命令。
直接控制法：将微指令操作控制字段 的每一个二进制位定义为一个微命令，直 接送往相应的控制点。
C1 C2 C3
直接控制法举例
... ...
Cm
123
3位DC1的控制功能
3位DC2的控制功能
DC1编码 送内部总线的数据
000 开关手拨数据 001 运算器的输出 010 指令的低 8 位 011 状态寄存器 100 中断优先级 101 未使用（NC） 110 开中断 111 关中断
输出。所以，微操作命令发生器就是一个 庞大的组合逻辑电路。
微操作控制信号 Ci = F( Ij ,Tk ,Sl )
Ij 指令译码产生的表示不同功能的信号
Tk 节拍时序信号
Sl 运算结果状态信息
C0 C1 C2
Cn
指 I0 令 I1 译 码
… …
…
S0
状
S1
态
微命令产生部件
标 志
Im
SL
…
T0 T1 T2
指令寄存器 （IR）
微控控制制存存储储器器
10位 程AA序MM2定29序9110器0
10位
MMAAPROM
地址映射部件
6位 OP 指令寄存地器址字段
5、微程序的执行过程
开 始
完成一条 机器指令
执行取指 微程序
执行判中 断微程序
如此循环，
直到最后一 条微指令
地址字段 控制取下 条微指令
IR（OP）
MAPROM 进行地址映射
机器指令对应的微程序(微指令)
主存储器
ADD 微程序
1 2
….
….
控
….
ADD R1，[R2] INC [R1]
N
制
存 INC 微程序
1
储
2
器
….
K
2、基本术语
微操作：对于指令的执行步骤中，不 能再分的操作.
微命令：控制微操作的命令，即实现 微操作的控制信号。
微指令：每一步操作所需的若干微命 令，以代码的形式编排就构成一条微 指令。
对内存和 I/O 接口的读写
/MIO（0：有内存和串口读写，1：无） REQ （0：读写内存，1：读写串行口） /WE （00：写操作， 1：读操作）
000 写内存 001 读内存
010 写串口 011 读串口 10X 无内存和串口的读写操作 11X 特殊用法，写控存
对内部总线和特定寄存器的控制
...
下地址
m
n-2 n-1 n
操作控制字段
顺序控制字段
特点：控制简单，不需加微命令译码器但 微命令多，使得微指令太长，因而要求控 制存储器容量较大。
字段直接编译法
Σ→A Σ→C
00不操作 01A→Y
10B→Y 11C→Y
下地址
123456
Σ→B
00不操作 01A→X
10B→X
7 8 9 10 11 12 13 14 15
MAPROM是一片ROM芯片，它的输入地址是指 令的操作码，该地址选中的存储单元存放的是 指令所对应的微程序的入口地址。
MAPROM地址 （操作码）
MAPROM内容 （微程序入口地址）
000000
05H
000001
08H
000010
34H
…
…
……
下址字段微指令控寄制存字器段 56位
微指令寄存器
10位
控制总线
接口
输入设备
输出设备
思考题：
某机采用微程序控制器，已知每一 条机器指令的执行均可分解成８条微指 令组成的微程序，该机指令系统采用６ 位定长操作码格式。
1)控制存储器至少应能容纳多少条微指 令？
2)如何确定机器指令操作码与该微程序 入口地址的对应关系。
思考题： 某机采用微程序控制器，其存储器容量512×48
XX
XX
XXXX
00 不操作 01 e 10 f 11 h
00 不操作 01 b 10 i 11 j
acdg
I1～I8 的编码具体是多少呢？
I1～I8 的编码具体是多少呢？
微指令
微命令信号
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1 0101 1110 I2 1000 1011
I3 1101 0000 I4 0000 0100
要点：
a. 一条机器指令从取指令到执行都可 以分解成一系列确定的微操作步骤。而 每个步骤所需的控制信号也就确定了。
b. 因此可以将控制信号按一定规则进行编 排，形成控制字（微指令）并保存在专用 的存储器中。 不同的机器指令对应不同的 微指令序列（微程序）。
c. 执行一条机器指令时，只要逐条取出与 其对应原微程序，就可以产生所需的微操 作控制信号。
计数器方式：设置微程序计数器。
断定方式：设置下址字段，其位数取决 于控制存储器的总字数。
例题：
已知某计算机有80条指令，平均每条 指令由12条微指令解释执行，其中有二条 取指微指令是所有指令公用的，设微指令 长度为32位，请算出控制存储器的容量。
2×32位 80×10×32位
802×32位
4、微程序控制器的组成
(4)画出每一个微操作命令的逻辑电路图，用 逻辑门来实现。
控制信微号命令 操作
C1 发生器LDR1 C2 LDR2
C3 LDR3 C4 R1→X(AC→X) C5 R1→Y(AC→Y) C6 R2→X C7 R2→Y C8 DR→X C9 R3→Y C10 “+”(加法运算)
控制信号 操作
C11 “M”传送 C12 “-”减法运算 C13 RD M 读 C14 LDDR C15 LDIR C16 LDAR C17 PC+1 C18 LDPC
00不操作
01 “+” 10“﹠”
11C→X
11 “-”
控制部分
地址部分
为什么可以采用分段编码来表示微命令呢？
相斥性的微命令： 指不能在同一CPU周期内出现的微命令
相容性的微操作： 指能在同一CPU周期内出现的微命令
CPU周期和微指令周期
微周期：执行一条微指令和取下条微指令所用 的时间。通常一个微周期与一个CPU周期相等。
执行微指令
执行微指令
读微指令
微指令周期
读微指令
T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4
CPU周期
CPU周期
指令周期
相斥性的微命令： +、-、﹠ A→X、 B→X、 C→X A→Y、 B→Y、 C→Y
相容性的微命令： Σ→A、 Σ→B、 Σ→C
结论：将相斥的微命令编在一个字段里。 将相容的微命令编在不同字段里。
CC模2109 型“∧机WR”结与M运构写算图
控制信号 操作
C1 LDR1 C2 LDR2 C3 LDR3 C4 R1→X(AC→X) C5 R1→Y(AC→Y) C6 R2→X C7 R2→Y C8 DR→X C9 R3→Y C10 “+”(加法运算)
控制信号 操作
C11 “M”传送 C12 “-”减法运算 C13 RD M 读 C14 LDDR C15 LDIR C16 LDAR C17 PC+1 C18 LDPC C19 “∧”与运算 C20 WR M 写
RD M = M1·T2+M2·T2·(LDA+ADD+AND) LDAR = M1·T1+M2·T1·(LDA+STA+ADD+AND) DR→X = M2·T4·(LDA+ADD+AND) LDPC = M2·(T1·JMP+T3·JZ·ZF=1)
2.组合逻辑控制器的特点 最大的优点是：产生控制信号的速度快！
位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制 的条件共６个，微指令采用水平型格式，后继指令的 控制采用断定方式。微指令的格式如下图所示。
微命令字段
判别测试字段
下地址字段
问微指令中的三个字段分别是多少位？
－－－－－－－－－－－－48位－－－－－－－－－－－ －－－3 位－－－ －－9位－－
6. 微程序控制器举例
只需两级门或三级门的延时就可产生。
缺点是：由于一台计算机中的微操作控制信
号少则几十个，多则几百个甚至更多，要设计 出能实时产生这么多控制信号的逻辑线路，其 设计工作量很大,设计过程复杂，并且电路形成
后，很难实施修改，不利于指令系统的扩充。
4.2.5 微程序控制器
1.基本原理
用软件的方法来实现硬件的功能。
微程序：由一系列微指令的有序集合 构成。一条机器指令对应多条微指令 构成的微程序。
控制存储器：集中存放所有机器指令 微程序的专用存储器。每一个单元为 一条微指令。通常为高速的ROM部件。
3、微指令的格式
由两部分组成： 控制字段——用于安排微命令。 下址字段——用于控制形成或直接 给出下条微指令在控存中的地址。
TEC-2 控制器 提供的
控制 信号
例题：某计算机有８条微指令，每条微指令发出 的微命令如下表所示，试对这些微指令进行编码 以使得微指令的控制字最短而且保持微程序应有 的并行性。
微命令信号
微指令
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
经分析可发现
微命令： e、f、h是互斥的， b、i、j是互斥的， 其余的微命令 a、c、d、 g是相容的。
Tk
时序产生部件
1.设计过程
微操作 流程分析
确定微操 作序列
用逻辑部件 实现
综合形成 逻辑表达式
化简 逻辑表达式
(1)根据硬件的结构图写出每条指令的操作流 程并分解成微操作序列。
(2)将各条指令在不同cpu周期的不同节拍中产 生的同一微操作信号集中到一起形成一个逻辑 表达式。
(3)将同一微操作出现的全部地方和条件进行 化简，求出最简的逻辑表达式。
微指令寄存器
CP
Am2910
MAPROM
控制存储器(ROM)
指令操作码
读命令
TEC-2微指令的格式
操作控制字段： 微指令的低36位，用于给出对运算
器、主存储器、I/O 等部件的控制微命 令。
顺序控制字段： 微指令的高20位，用于产生微程序下
地址。
TEC-2 控制器 提供的
控制 信号
操作控制字段36位(含1位备用)
其中26位用于对运算器的操作控制(I8～I0、 A口、B口、SST、SCI、SSH、SA、SB) 。
/MIO、REQ、/WE 3位构成对读写周期的控 制。
DC1的3位形成对送往内部总线数据的选择控 制。
DC2的3位指定接收数据输入的专用寄存器。
对运算器的控制
24位控制信号，同24位微型开关内容， A口地址，B口地址， I8～I6，I5～I3，I2～I0 SST，SSH，Sci