控制器原理与CPU组织—微程序控制器原理

址、运行状态等形成。 7
5.5 微程序控制器原理
微命令序列
IR PSW
微地址 形成电路
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
取指微指令 控制存储器 CM
2.工作过程 （1）取机器指令 CM 取指微指令 µIR 微命令字段
译码器 微命令 主存
IR 机器指令 8
5.5 微程序控制器原理
5.5.6 微指令格式和微命令编码方法 1. 格式分类
➢ 水平型微指令 ➢ 垂直型微指令 (1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，
垂直型微指令 (2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令
(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长 而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。
13
5.5 微程序控制器原理
5.5.4 CPU周期与微指令周期的关系
13
5.5 微程序控制器原理
5.5.5 机器指令与微指令的关系 ☺ 一条机器指令对应一段微程序，由微指令解释
执行 ☺ 机器指令与内存M有关，微指令与控制存储器
CM有关 ☺ 每个CPU周期对应一条微指令
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5.5 微程序控制器原理
放BI字段。
33
AI BI
AI：000 001 010 011 100
不发命令 RA CA DA EA
BI：000 001
010
011
100
加法器
A
B
R、C R、C D、E D、F
不发命令 RB CB DB FB
操作唯一；编码较简单；一条微指令能同时 提供若干微命令，便于组织各种操作。 20
5.5 微程序控制器原理
2.微命令编码方法(如何表示微操作)
（1）直接控制法 微命令按位给出。
如何确定微指令的结构，是微程 序设计的关键。
例. 某微指令
1
11
C0
RW
C0= 0 进位初值为0 R= 0 不读 W= 0 不写
1 进位初值为1
1读
1写
不需译码，产生微命令的速度快；
信息的表示效率低。（微指令长，占CM容量 大）。 微指令中通常只有个别位采用直接控制法。18
5.5 微程序控制器原理
•指令的OP与微程序入口的可能映射方式及比较 a)OP就是指令微程序的入口地址
OP
01000 10001 11001
01000 . . 10001 . . 11001
5.5 微程序控制器原理
5.5.3 微程序举例 例 “十进制加法”指令←→一段微程序
P175
①
② ③
④
12
2
5.5 微程序控制器原理
微程序控制的基本思想
1. 若干微命令编制成一条微指令，控制实现 一步操作； 2. 若干微指令组成一段微程序，解释执行一 条机器指令；
3. 微程序事先存放在控制存储器(CM)中，执 4. 行机器指令时再取出。 CPU的构成 引入了程序技术，使设计规整；
引入了存储逻辑，使功能易于 扩展。
后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生
2)
μAR= μPC+1
3) 2） 断定方式 形
4)
（直接给定和测试断定相结合
成微地址）
24
5.5 微程序控制器原理
5.5.7 微地址形成方式
多路转移方式：一条微指令具有多个转移分支的能力。
• 取指微指令执行后，下一条微指令由指令操作OP指定 • 当微程序不出现分支时，直接由微指令的顺序控制字段给出下 一条微指令的地址。 • 当出现转移时，由判别测试字段和状态条件来修改顺序控制的 某些位来实现多路分支。 顺序控制字段该信息有n位，微程序就有2n路转移
微命令序列
IR PSW
微地址 形成电路
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
取指微指令 控制存储器 CM
（2）转微程序入口
IR
操作码 微地址形 入口 成电路
µAR
CM 首条微指令µIR
（3）执行首条微指令
µIR 微命令字段 译码器 微命令 操作部件
9
5.5 微程序控制器原理
IR PSW
韩阳
计算机组成原理 Computer Organization
本科课程教学 CSE3260D
2005.11.25
北京化工大学 信息科学与技术学院
计算机组成原理
5.5 微程序控制器原理
5.5.1 微程序控制的基本思想
组合逻辑控制器：由大量的逻辑门和触发器组成。 微程序控制器：基于“存储程序，顺序执行”的思想体制。
5.5 微程序控制器原理
•水平型微指令和垂直型微指令的比较
a. 水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直 b. 型微指令则比较差。 b. 水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行执 行一条指令的时间长。 c. 由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字较长，微 程序短的特点；垂直型微指令则相反，微指令短而微程序长
微周期：指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应 的微操作所需的时间。
微程序：一系列微指令的有序集合。
控制存储器：存放微程序的只读存储器。 结论：执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器
中的微程序。
5.5 微程序控制器原理
微程序控制的设计思想：
将机器指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示 这些微命令，并编成微指令，再形成微程序；每种机器指令对 应一段微程序，存放到固定的控制存储器中；执行一条机器指 令时只需从控制存储器中逐条取出与之对应的一段微程序，就 可以产生各种微操作信号，实现机器指令的功能。
例.对加法器输入端进行控制。 加法器 微指令中设置AI字段，控制
加法器的输入选择。
A
B
3
AI 000 不发命令 001 R A
R、C R、C D、E D、F
微命令分组原则：
010 C 011 D 100 F
A B
？
B
同类操作中互斥的 微命令放同一字段。
…
不能同时出现
19
加法器A输入端的控制命令放
AI字段，B输入端的控制命令
字段1 字段2 字段3 P字段 下地址字段
•若某小组有4个微命令，则微指令中该字段需要多少位？ 需要3位，为什么？ 因为每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。
5.5 微程序控制器原理
5.5.7 微地址形成方式
1. 微程序入口地址的形成 2. 后续微地址的形成 1) 增量方式 （计数器方式）
5.5 微程序控制器原理 微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程
控制存储器
0000 000 000 000 000 11111 10 0000
取指
0001 010 001 001 001 00000 00 0000 R2－R3→R2
……. 1001 010 001 001 100 00000 01 0010 1010 010 100 100 100 00000 00 1001
(微操作控制字段) 指明后续微地址的形成方式。
微地址字段：
(顺序控制字段) 提供微地址的给定部分。
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5.5 微程序控制器原理
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PCFra Baidu bibliotek
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（3）微地址形成电路 功能：提供两类微地址。
微程序入口地址：由机器指令操作码形成。 后续微地址： 由微地址字段、现行微地
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（3）混合型微指令 在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行
操作。 微指令不长，便于编写；微程序不长，执行 速度加快。 例.长城203微指令
33 3 3 4 4 4
AI BI ZO AOP MOP KK ST
运算器 运算器 操作 访M、 常数 辅助
输入控 输出控 类型 I/O控
操作
制
制
控制 制
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微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（4）取后续微指令
微地址字段 现行微地址 运行状态
微地址形 成电路
后续微地址
µAR
后续微指令
µIR
CM 10
5.5 微程序控制器原理
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（5）执行后续微指令 同（3） （6）返回
微程序执行完，返回CM (存放取指微指令的
固定单元)。
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5.5 微程序控制器原理
5.5.2 微程序控制器的基本概念
微命令：构成控制信号序列的最小单位。
微操作：由微命令控制实现的最基本操作。
微指令：若干个微命令的组合。
CPU方式(触发器C=0) 微指令 I/O方式(触发器C=1)
15 16 17
C = 0 QC
15 16 17
C = 1 QC’
全加器运算方式控制 通道专J用CC操’作方式控制
（4）其他编码方法
1) 微指令译码与机器指令译码复合控制
例. 机器指令
微指令
寄存器号
寄存器传A
译码器
R1
译码器
001
A门
RA 22
一条机器指令＝一段微程序＝若干条有序的微指令 一条微指令＝若干条微命令
5.5 微程序控制器原理
微指令的基本结构
5.5 微程序控制器原理 微程序控制器的组成框图
5.5 微程序控制器原理
指令寄存器IR 操作码 地址码
形成本条指令的 微程序入口地址
指令译码
控制存储器
微指令寄存器 控制字段 下址
微程序控制器的工作原理图
µAR
1.主要部件
控制存储器 CM
（1）控制存储器CM
功能：存放微程序。
CM属于CPU，不属于主存储器。
5
5.5 微程序控制器原理
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（2）微指令寄存器 µIR
功能：存放现行微指令。
微命令字段： 提供一步操作所需的微命令。
微操作是计算机中最基本的操作，由于数据 路、逻辑功能的关系，微操作可以分为相容 性的和相斥性的微操作： •相容性的微操作
能同时并行执行的微操作 •相斥性的微操作
不能同时并行执行的微操作
5.5 微程序控制器原理
图中相斥性的微操作有： ( + 、 – 、 M ) ( 4、 6、 8 ) ( 5、 7、 9 ) 图中相容性的微操作有： 1、2、3 (4、6、8) 与 (5、7、9)两组中各取一个任意组合
5.5 微程序控制器原理
2) 微地址参与解释 例 DJS180系列 26个局部性微命令
微地址
微指令
004
取指标志
011
变址标志
23
(2)编码表示法
•把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器 译码，译码输出将作为操作控制信号。每次每个小组最多 只能有一个有效。
微 命令
译码 译码 译码 译码
下址
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930
控 制 字 段
顺 序 控 制
•优点: 简单、直观，输出直接用于控制 •缺点: 微指令字长、不利于减少控存容量
（2）分段直接编译法 （单重定义编码）
微命令由字段编码直接给出（显式编码）。
3
5.5 微程序控制器原理
5.5.2 微程序控制器组成原理
IR PSW
地址转移逻辑
(微地址形成
状态
电路)
AR
地址译码
微命令序列
译码器
微命令字段 微地址字段 IR
控制存储器 CM
4
5.5 微程序控制器原理
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令 比较相似，相对来说，比较容易掌握。
➢ 混合型微指令
15
5.5 微程序控制器原理
（1）垂直型微指令 一条微指令定义并执行一种基本操作。 优点：微指令短、简单、规整，便于编写微
程序。 缺点：微程序长，执行速度慢；工作效率低。 （2）水平型微指令 一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。 优点：微程序短，执行速度快。 缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。
(1)直接表示法 •操作字段的每一位表示一个微命令
L
bus bus BU S
BU S
BU S D R (D )
↑
↑↑↑
↑
↑↑
R 1 LD LA L BU S A LU LD R 1 ＋LD PCIR (A ) W E D R BU S P2
LL
L BU S
BU S
↑↑
↑↑
↑
R 0 R 2 LD LBbus bus LD R 0PC ＋ 1 PC LD IRR D LD A RLD D R P1
（3）分段间接编译法 （多重定义编码，隐式编码）
微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。
1) 设置解释位或解释字段
例. C
A
解释位
C=
1 A为某类命令 0 A为常数/另一类微
命令
2) 分类编译
按功能类型将微指令分类，分别安排各类微
指令格式和字段编码，并设置区分标志。
例.DJS-220 微指令分两类。 21
…….
R2+R3→R2 R1+R2→R2
5.5 微程序控制器原理
5.5.4 CPU周期与微指令周期的关系 微指令周期：读出微指令到执行完该条微指令的时间 在串行方式的微程序控制器中: 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间
为了保持整个机器控制信号的同步，可将一个微指 令周期设计与CPU周期时间相等。