计算机组成原理：第7章 微序列控制单元设计
计算机组成原理课程设计 微指令
计算机组成原理课程设计微指令微指令是计算机中的一种重要组成部分，是指对硬件操作的控制命令序列。
简单来说，微指令是对硬件进行操作的一种指示信号，它由控制单元内部产生，并由控制总线传送到各个部件执行。
微指令在计算机中的作用非常重要，可控制计算机的运行状态，包括指令的执行步骤、数据的处理流程、状态的转移等。
因此，微指令的设计质量对计算机的性能和各项指标都有很大影响。
微指令的设计需要考虑五个方面：
第一、控制流程设计。
微指令要能够正确地控制计算机执行指定的操作流程，并具有良好的延迟和时序特性。
第二、功能和格式设计。
微指令的功能必须与指令集相匹配，同时规定微指令的格式，以较低的硬件成本实现指令的执行。
第三、指令编码设计。
微指令的编码应该尽可能地高效，以减少控制总线的传输时间和控制逻辑的延迟，并且要保证指令的唯一性。
第四、性能和可扩展性设计。
微指令的设计需要尽量提高计算机的性能，从而在实现计算功能的同时，具备灵活可扩展的特性，使计算机系统可以随着技术进步不断地更新升级。
第五、微指令的测试和验证设计。
微指令的设计完成后，需要进行测试和验证，以保证其正确性和稳定性。
总之，微指令的设计是计算机系统中不可或缺的一部分，对计算机性能和稳定性具有极大的影响。
因此，在进行微指令的设计时，需要充分考虑各个方面的需求，并进行合理的设计，以保证计算机系统的稳定运行。
计算机组成原理第七章课件(白中英版)
刷新和扫描
刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程 不感到闪烁的刷新频率：＞30次/秒 模拟电视标准：每秒刷新50帧图像 光栅扫描：光栅扫描是从上至下顺序 扫描整个屏幕
逐行扫描 隔行扫描
扫描频率：完成一帧所花时 间的倒数，也叫刷新频率 ( 每 个像素在一秒内被刷新次数) 刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服
A3 B3 C3 D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
RAID5
I/O系统
块交叉分布式奇偶校验盘阵列 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘， 奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上
校验码 产生器
A0 A1 A2 A3
4校验码
B0 B1 B2
3校验码
C0 C1
2校验码
D0
1校验码
0校验码
E1 E2 E3 E4
磁盘存储器的主要技术指标 （4/4）
• 误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总 信息位数之比。 • 价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设 备价格除以存储器二进制位总容量。 • 一个常识： 每面信息量=每道信息量柱面数 =每道信息量道密度（外半径-内半径） 总容量=每面信息量面数
系统结构
RAID0
I/O系统
数据分块，即把数据分布在多个盘上 非冗余阵列、无冗余信息 严格地说，它不属于RAID系列
A E I
B F J
C G K
D H L
M
系统结构
N
O
etc...
RAID1
I/O系统
亦称镜像盘，使用双备份磁盘 每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另 一个冗余盘，形成信息的两份复制品
计算机组成原理微程序控制单元实验
计算机组成原理微程序控制单元实验## 微程序控制单元实验### 简介微程序控制单元（Microprogram Control Unit）是计算机组成原理中的一个重要概念。
它是一种基于微指令的控制方式，有效地解决了指令复杂度高、设计难度大的问题。
本篇文档将介绍微程序控制单元的实验原理和方法。
### 实验目的通过本次实验，我们将能够深入了解微程序控制单元的工作原理，理解微程序控制单元在计算机系统中的重要性，并通过实践掌握微程序的设计与编写。
### 实验内容1. 将微指令存储器的内容读入到微程序存储器中；2. 设计微指令的控制信号；3. 实现微程序控制单元的功能；4. 编写测试程序，验证微程序控制单元的正确性。
### 实验步骤#### 第一步：读取微指令存储器内容将微指令存储器中已经设计好的微指令读入到微程序存储器中。
这一步骤可以使用硬件开关、编程方式或者仿真软件进行。
#### 第二步：设计微指令的控制信号根据实验需求，设计微指令的控制信号。
微指令的控制信号包括指令码、操作码、地址码等等，根据具体的实验需求而定。
#### 第三步：实现微程序控制单元的功能将设计好的微指令的控制信号与微程序控制单元进行连接。
确保微程序控制单元能够正确地根据微指令的控制信号来执行相应的操作。
#### 第四步：编写测试程序编写测试程序，验证微程序控制单元的正确性。
测试程序需要覆盖到微程序控制单元的各个功能模块，包含不同类型的指令和操作，以确保微程序控制单元的完整性和鲁棒性。
#### 第五步：测试与调试将编写好的测试程序加载到微程序控制单元中，进行测试和调试。
通过观察微程序控制单元的输出结果，排查可能存在的问题并进行修正，以保证其正确性和稳定性。
### 实验总结通过本次实验，我们深入了解了微程序控制单元的工作原理，并通过实践掌握了微程序的设计与编写。
微程序控制单元的应用可以提高计算机系统的灵活性和可扩展性，同时也降低了整个系统的复杂度和设计难度。
计算机组成原理习题答案第七章
１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
计算机组成原理微程序控制单元实验
计算机组成原理微程序控制单元实验
微程序控制单元是计算机组成原理中的一个重要组成部分，其工作原理是将指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
以下是一个微程序控制单元的实验流程:
1. 提取指令：从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。
提取指令之后，程序计数器根据指令长度增加存储器单元。
2. 解码：根据 CPU 的指令集架构 (ISA) 定义将数值解译为指令。
解码阶段将指令分解成一系列的微操作。
3. 控制命令发出：根据指令中的微操作，发出各种控制命令，例如读写控制、存储器选择、微操作执行等。
这些控制命令用于执行微操作系列。
4. 执行微操作：根据控制命令，执行微操作系列。
微操作通常是一些小规模的运算，例如存储器读写、算术运算等。
这些微操作被分解成一系列的微操作，然后由微程序控制单元执行。
5. 写回结果：完成微操作系列后，将结果写回到存储器或高速缓冲存储器中。
6. 跳转：如果需要，可以通过跳转指令来跳转到其他指令执行。
7. 重复：如果指令需要多次执行，可以通过重复指令来实现。
通过以上步骤，微程序控制单元可以实现对计算机指令的控制，从而实现计算机的功能。
值得注意的是，微程序控制单元是计算机组
成原理中的一个抽象概念，实际上并不存在具体的硬件实现。
第七章微程序控制单元设计
第七章微序列控制单元的设计1. 修改非常简单微序列控制器，将其状态分配给下列地址。
给出这些分配所需的映射逻辑。
2. 根据习题1状态分配，重写非常简单微序列控制器优化后的水平微代码。
3. 一个CPU由下面的RTL代码指定。
把微操作分配到几个域中使总的位数最少，每个微操作OP**2返回到FETCH1。
FETCH1: AR←PCFETCH2: DR←M，PC←PC＋1FETCH3: IR，AR←DROP001: DR←MOP002: AC←AC⊕DROP011: AC←AC’，PC←PC＋1OP012: AC←AC＋1OP101: DR←M，AC←AC＋1OP102: DR←DR＋1OP111: DR←MOP112: PC←PC＋DR[5..0]4. 用水平微代码验证非常简单CPU的功能。
5.用垂直微代码验证非常简单CPU的功能。
6.用直接生成控制信号的方法验证非常简单CPU的功能。
7.像第六章习题6那样，我们希望修改非常简单CPU，使之包含一条新指令CLEAR，它设置AC←0。
CLEAR指令的操作码是111X XXXX，而INC指令的操作码改为110X XXXX，其余指令的操作码都不变。
试给出新的状态图、RTL代码、寄存器部分所要作的修改、微序列控制器的改动以及它的水平微代码，并验证新指令的功能。
8.采用垂直微代码重作习题7的微序列控制器，列出微代码域重新分配的情况。
9.采用直接产生控制信号重作习题7的微序列控制器。
10.像第六章习题10那样，我们希望修改非常简单CPU，使之包含一个新的8位的寄存器R和两条新指令。
指令MV AC完成R←AC的传送，其指令代码是1110 XXXX；指令MOVR完成操作AC←R，指令代码是1111 XXXX；而INC指令的新代码是110X XXXX；其它的指令代码保持不变。
试给出新的状态图、RTL代码、寄存器部分所要作的修改、微序列控制器的改动以及它的水平微代码，并验证新指令的功能。
第7章习题答案 计算机组成原理课后答案(清华大学出版社 袁春风主编)
• 159 •
7. 假定以下 MIPS 指 令序列在图 7.18 所示 的流 水线数据通路中 执行：
addu $s3, $s1, $s0
subu $t2, $s0, $s3
流水线深度（ Pipeline Depth） 流 水 线 冒 险 （ Hazar d） 控制冒险（Control hazard） 流水线阻塞（ Pipeline stall） 空 操 作 （ nop） 分支预测（Branch predict） 动态分支预测（Dynamic predict） 分支 延迟槽（Delayed branch slot） 旁 路 （ Bypassing） IPC（Instructions Per Cycle） 动态多发射（Dynamic multiple issue） 超长指令字 VLIW 动态流水线（Dynamic pipelining） 指令分发（Instruction dispatch） 无序发射（ out-of-order issue） 重排序缓冲（Reorder buffer） 乱序执行（ out-of-order execution） 无序完成（ out-of-order completion）
（1）插入 一个流水段寄 存器，得到 一个两级 流水线 （2）插 入两个流水段 寄存器，得 到一个三 级流水线 （3）插入 三个流水段寄 存器，得到 一个四级 流水线 （4）吞 吐量最大的流 水线 参考答案：
（1）两级流水线的平衡点在 C 和 D 之间，其前面一个流水段的组合逻辑延时为 80+30+60=170ps，后 面一 个流水 段的 组合逻 辑延时 为 50+70+10=130ps。这 样每个 流水段 都 以 最 长 延 时 调 整 为 170+20=190ps ， 故 时 钟 周 期 为 190ps ， 指 令 吞 吐 率 为 1/190ps=5.26GOPS，每条 指令的执行时 间为 2x190=380ps。
计算机组成与设计第三版第七章课后答案
13在所用主存储器芯片已确定的情况下，还要进行大幅度提高主存储器系统的读写 速度的办法是什么？
答：在所用主存储器芯片已确定的情况下，还要进行大幅度提高主存储器系统的读 写速度的办法是采用成组传送数据的方式，该方式是指用于提高在数据总线上的数 据输入/输出能力的一种技术。即通过地址总线传送一次地址后，能连续在数据总 线上传送多个（一组）数据，而不像正常总线工作方式那样，每传送一次数据，总 要用两段时间，即先送一次地址（地址时间），后送一次数据传送（数据时间）。 在成组传送方式，为传送N个数据，就可以用N+1个总线时钟周期，而不再是用 2N个总线时钟周期，使总线上的数据入/出尖峰提高一倍。
01
12存储器读写操作时，地址信号、片选信 号、读写命令、读出的数据或写入的数据， 在时间配合上要满足些什么关系？
02
答：存储器读写操作时，地址信号、片选信 号、读写命令、读出的数据或写入的数据， 它们之间在时序配合要满足以下这些条件： 有了稳定的地址与片选信号才可以读；有了 稳定的地址和写入的数据，再有了片选信号 才能再给出写命令，以便保证无误的写操作。 此外，这些信号应有一定的持续时间，以保 证读写操作得以正常完成。
202X
计算机组成原 理第七章习题
单击此处添加文本具体内容，简明扼要地 阐述你的观点
7.1.在计算机中，为什么要采用多级结构的存储器系统？它们的应用是建 立在程序的什么特性之上的？
答：在现代的计算机系统中，通常总是采用由三种运行原理不同，性能差异 很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器，再将它 们组成三级结构的统一管理、高度的一体化存储器系统。由高速缓冲存储器 缓解主存储器读写速度慢，不能满足CPU运行速度需要的矛盾；用虚拟存储 器更大的存储空间，解决主存储器容量小，存不下更大程序与更多数据的难 题。
计算机组成与原理课件第七章 微序列控制单元设计
7.2.1 基本布局
1. 非常简单微序列控制器的基本结构
2. 利用两种可能的下址方式
• 操作码映射 • 绝对跳转
为什么可以这样做？ 考虑第六章所示的该CPU的状态图。
◆ 取指令周期的最后一个状态FETCH3可以转到四
个执行周期中的一个，这必须通过映射输入来实现。
◆ 剩余的每一状态都必须转到一个具体的次态，可
例如：一个有128条微指令和32个不同微操作的微序
列控制器。
▲ 水平微代码的微序列控制器：128*32=4,096位存储器
假设：这128条微指令中只有16种不同的微操作组合， 在一个16*32的毫微存储器中存储这16种模式。每条微 指令需要一个4位的域来指向毫微存储器中的一个正确的 模式。
▲ 毫微存储器：16*32=512位
类似非常简单CPU，这一设计用到的指令集、数据通
道、以及ALU都与硬布线控制设计中的相同。
7.3.1 修改状态图
考虑：条件跳转的取指令周期末尾
▲ 设计两种新的状态：JMPZ1和JPNZ1
▲ 使FETCH3映射到这两个状态上。
▲ 这两种状态再依据Z的值转移到正确的流程上。
7.3.2 设计顺序硬件和微代码
◆ AIDR组合了两个微操作AR←DR[5..0]和
IR←DR[7..6]。
4．产生所需的控制信号
AR←PC ； AR←DR[5..0]
PC←DR[5..0]
PC←PC＋1；
DR←M IR←DR[7..6] AC←AC ＋ DR ； AC←AC∧DR ； AC←AC＋1
AR←PC AR←DR[5..0]
；
PC←PC ＋ 1 ； PC←DR[5..0]
DR←M IR←DR[7..6]
计算机组成原理课程设计(中央处理器--微程序控制器设计)
计算机组成原理课程设计：中央处理器-微程序控制器设计摘要本文档介绍了一个针对计算机组成原理课程的设计项目，即中央处理器的微程序控制器设计。
在设计中央处理器的微程序控制器时，我们将考虑指令的执行、数据的处理以及控制信号等关键方面。
通过这个设计项目，学生将深入了解计算机系统的核心组件并掌握微程序控制器的设计方法。
引言计算机组成原理课程旨在帮助学生理解计算机硬件系统的基本原理和组成部分。
其中，中央处理器是计算机系统中最核心的部分之一。
微程序控制器是中央处理器的关键组件，它通过微指令序列控制着处理器的各个部件。
本设计项目旨在实践计算机组成原理的理论知识和设计方法，使学生能够了解中央处理器的内部结构和工作原理，并掌握微程序控制器的设计技术。
设计目标本次设计的目标是： 1. 使用合适的指令集设计一个完整的微程序控制器。
2. 实现基本的指令执行功能，包括算术逻辑单元(ALU)操作、内存读写、条件分支和跳转等。
3. 考虑控制信号与数据通路之间的兼容性和时序关系。
4. 考虑指令的效率和性能，实现合理的指令编码和微指令生成策略。
设计内容1. 指令集设计在设计微程序控制器时，首先需要确定适合该设计的指令集。
指令集应该包括基本的算术、逻辑、移位和控制指令，以及内存读写指令。
根据实际需求，可以添加其他合适的指令。
2. 微指令设计为了实现指令集中的每个指令，需要设计相应的微指令。
微指令是一系列控制信号的序列，用于控制中央处理器中各个部件的操作。
每个微指令应该包含控制信号、操作码、寄存器的选择和数据通路的选择等信息。
3. 数据通路设计数据通路连接了CPU中各个部件，包括寄存器、ALU、控制器等。
在设计数据通路时，需要考虑指令的执行顺序、数据的传递和处理，以及控制信号的生成等。
数据通路应该支持指令的执行和数据操作。
4. 控制信号设计控制信号是微程序控制器中最关键的部分，它确定了中央处理器中各个部件的操作方式和时序。
在设计控制信号时，需要考虑不同指令的差异性和并行性，确保指令的正确执行。
计算机组成原理课程设计 - 设计一个微程序控制器
第一章设计概述1.1课程设计的目的本课程设计的教学目是在掌握计算机系统的组成及内部工作机制,理解计算机各功能部件工作原理的基础上,深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程,进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念,培养开发和调试计算机的技能,在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。
1.2设计任务和基本要求本课程设计以TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。
1.按给定的数据格式和指令系统,设计一个微程序控制器。
2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微程序的为指令代码。
3.连接逻辑电路完成启动,测试,编程,测试,效验和运行,并观测运行过程及结果。
4.将微程序控制器模块与运算器模块,存储器模块联机,组成一台模型计算机。
5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。
6.通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序,掌握机器指令与微指令的关系,建立计算机整机的概念,掌握计算机的控制机制。
7.按指定的应用项目进行汇编指令格式及功能设计,并设计相应的机器指令代码,按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序.在PC机上编辑机器指令和微程序,装载代码到TDN-CM++实验系统并运行,实现应用要求。
第二章规定项目的验证实现2.1规定项目任务和要求：任务：从输入设备输入一个数与内存中地址为0AH存放的数字1相加结果送地址为0BH单元中。
并能从内存中取出到外围设备显示之。
要求：通过此验证实验来学会数据通路电路图的连接、机器指令的设计、微指令设计中相关字段的作用、微程序流程图的设计以及能熟练掌握用微程序控制数据通路来实现机器指令的功能，为以后的实验设计做好准备。
2.2规定项目实现原理：（1）在本设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。
计算机从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
计算机组成原理微程序控制单元实验
计算机组成原理微程序控制单元实验微程序控制单元是计算机系统中的一种控制方式，它通过存储在存储器中的一组微指令序列来完成对计算机操作的控制。
微程序控制的特点是将指令解码操作交给微程序控制器来完成，使得计算机系统更加模块化，易于维护和升级。
在本文中，我们将介绍计算机组成原理微程序控制单元实验相关参考内容，包括实验原理、实验步骤和实验结果分析等。
实验原理微程序控制单元实验的目的是了解微程序控制器的工作原理，熟悉微指令的生成和调用过程。
实验中，我们需要使用一个可编程逻辑器件（如FPGA）来实现微程序控制单元。
具体的实验原理可分为以下几个方面：1.微程序控制单元的基本结构微程序控制单元的基本结构由微程序存储器、微指令计数器、数据线、地址线和状态寄存器等组成。
微程序存储器用于存储微指令序列，微指令计数器用于计数微指令的执行次数，数据线用于传输数据信息，地址线用于传输地址信息，状态寄存器用于存储各个状态的标志位。
2.微指令的生成方式微指令可以通过硬布线方式生成，也可以通过微程序存储器生成。
本实验中，我们将采用微程序存储器生成的方式。
微程序存储器的结构类似于一个ROM，存储着各个微指令的操作码。
通过地址线和控制信号的组合，我们可以选择需要执行的微指令操作。
3.微指令的调用过程在执行一条指令时，首先要将指令解码，得到该指令的操作码和操作数。
接着，通过微控制器的微程序存储器，查找并执行对应的微指令操作。
微指令的执行可能涉及到内存、寄存器、算术逻辑单元等各个部分，最终完成指令的执行。
实验步骤下面是计算机组成原理微程序控制单元实验的具体步骤：步骤一：设计微程序控制器的硬件电路根据FPGA开发板的型号和实验要求，设计微程序控制单元的硬件电路，并且将其烧录到FPGA芯片中。
在设计电路时要考虑到各种指令和相应的微指令，分析指令的执行流程，进而推导出各种情况下微指令的生成方式。
步骤二：编写微指令程序利用软件编写微指令程序，将每条指令拆分成组合微命令的形式，生成微程序。
计算机组成原理实验课件--微程序控制器
地址寄存器
运算器 PC SP
最低 位进 位、 移位 信号
开关门
内部总线
教学计算机的数据通路 与微命令的控制作用
开关门
数据开关
中断向量
19
微指令中的微命令字段用于控制计算机各部件的执 行功能和动作过程，因此又可以被划分为多个子字段， 各子字段用于不同的部件、不同的执行功能、不同的 数据选择等，有多种的划分和组合方式。
微下地址 （8位） CI SCC
M R W I210 I87 （8位）
I6 I543 B口 （8位）
（8位）
A口 SST SSH （8位）
SCI DC2 DC1 （8位）
9
（2）微指令寄存器
微指令寄存器用于存放处在运行中的微指令的内容。 48位的微指令寄存器也被分成16位的下地址字段和32 位的微命令字段。其中下地址字段选用2片由8位的D 触发器构成的寄存器芯片实现，32 位的微命令字段 在MACH芯片内实现。
地址寄存器
运算器 PC SP
最低 位进 位、 移位 信号
开关门
内部总线
教学计算机的数据通路 与微命令的控制作用
开关门
数据开关
中断向量
25
给内存和 I/O接口的信号
/MIO（0：有内存或串口读写, 1：无） REQ （0：读写内存操作， 1：读写串行口） /WE （0：写操作错作， 1：读操作操作） 0 0 0 写内存 0 0 1 读内存 0 1 0 写串口 0 1 1 读串口 1 XX 无内存和串口的读写操作
111
NC
无操作
27
对几个特定的寄存器接收输入的控制
DC2编码 译码信号 000 NC 操作说明 无寄存器接收数据
计算机组成原理微程序控制器部件教学实验
计算机组成原理微程序控制器部件教学实验微程序控制器是由微指令组成的，每个微指令对应一个操作或一个操作序列。
它通过微指令来描述指令的执行过程，包括指令的取指，指令的解码，操作数的获取，以及操作的执行。
微程序控制器的本质是一个状态机，通过不同的状态和状态转移来完成指令的执行，从而实现计算机的功能。
在计算机组成原理的教学实验中，微程序控制器部件是非常重要的一个实验内容。
通过搭建微程序控制器的实验平台，学生可以更好地理解计算机指令的执行过程，加深对计算机硬件的认识。
在微程序控制器部件的教学实验中，可以从以下几个方面展开。
1.搭建实验平台：首先需要搭建一个微程序控制器的实验平台，包括微指令存储器、微指令控制器、状态寄存器等硬件部件。
同时需要编写相应的微指令和微程序，对不同的指令进行模拟执行。
2.模拟指令的执行过程：通过编写微指令和微程序，可以模拟指令的执行过程。
通过手动设置各个硬件部件的状态，可以观察指令的取指、解码、执行等过程。
通过模拟执行不同的指令，可以帮助学生理解指令的执行过程和计算机的工作原理。
3.分析指令的执行效率：在实验中，可以通过不同的指令和微程序，分析指令的执行效率。
比如，可以比较不同指令的执行时间，找出其中的瓶颈和优化方法。
通过实验分析，学生可以深入理解指令的执行原理和计算机硬件的优化方法。
4.扩展实验内容：在熟悉了微程序控制器的基本原理后，可以进一步扩展实验内容。
比如，可以设计一个简单的指令集，编写相应的微指令和微程序，实现更复杂的指令的执行过程。
通过扩展实验内容，可以更好地理解微程序控制器部件的原理和功能。
总之，计算机组成原理微程序控制器部件的教学实验是一门重要的实践课程，通过搭建实验平台和编写微指令和微程序，可以帮助学生更好地理解计算机硬件的工作原理，加深对计算机指令执行过程的认识，提高计算机组成原理的学习效果。
计算机组成原理课程设计（中央处理器--微程序控制器设计）
“计算机组成原理”课程设计报告微程序控制器的设计一、设计思路按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
从而可以想到如下指令： （１）24位控制位分别介绍如下：位控制位分别介绍如下： XRD XRD ：： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
定外设读数据。
EMWR EMWR：： 程序存储器EM 写信号。
写信号。
EMRD EMRD：： 程序存储器EM 读信号。
读信号。
PCOE PCOE：： 将程序计数器PC 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
EMEN EMEN：： 将程序存储器EM 与数据总线DBUS 接通，由EMWR 和EMRD 决定是将DBUS 数据写到EM 中，还是从EM 读出数据送到DBUS DBUS。
IREN IREN：： 将程序存储器EM 读出的数据打入指令寄存器IR 和微指令计数器uPC uPC。
EINT EINT：： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP ELP：： PC 打入允许，与指令寄存器的IR3IR3、、IR2位结合，控制程序跳转。
转。
MAREN MAREN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据打入地址寄存器MAR MAR。
MAROE MAROE：将地址寄存器：将地址寄存器MAR 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
OUTEN OUTEN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据送到输出端口寄存器OUT 里。
里。
STEN STEN：： 将数据总线DBUS 上数据存入堆栈寄存器ST 中。
中。
RRD RRD：： 读寄存器组读寄存器组R0-R3R0-R3，寄存器，寄存器R?R?的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
计算机组成原理-微程序控制器的组成与微程序设计实验
计算机组成原理-微程序控制器的组成与微程序设计实验福建农林⼤学计算机与信息学院信息⼯程类实验报告课程名称：计算机组成原理姓名：系：计算机专业：计算机科学与技术年级：09级学号：指导教师：职称：2010年12⽉29⽇实验项⽬列表福建农林⼤学计算机与信息学院信息⼯程类实验报告系：计算机专业：计算机科学与技术年级： 09 姓名：学号：实验课程：实验室号：____509 实验设备号：试验台8 实验时间：指导教师签字：成绩：实验名称微程序控制器的组成与微程序设计实验⼀.实验⽬的1.掌握微程序控制器的组成原理。
2.掌握微程序的编制、写⼊、观察微程序的运⾏。
⼆.实验设备ZYE1603B 计算机组成原理教学实验系统⼀台，排线若⼲。
三.实验原理实验所⽤的时序电路原理可以参考时序实验，由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下⽅的CLR清零开关上），所以只需将时序电路与⽅波信号源连接即可。
1.微程序控制电路微程序控制器的组成见图1-16。
其中控制存储器采⽤三⽚2816E2（平⽅）PROM具有掉线保护功能。
微指令寄存器18位，⽤两⽚8D触发器（74LS175）触发器组成，它们带有清“0”断和置“1”端。
在不进⾏判别测试的情况下，T2时刻打⼊微地址寄存器的内容极为下⼀条微指令地址。
当T4时刻进⾏判别测试时，转移逻辑满⾜条件后输⼊的负脉冲通过强制端将某⼀触发器设置为“1”状态，完成地址修改。
在该实验电路中，控制台但愿有⼀个编程开关SP06，它具有两种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运⾏）。
当处于“编程状态”时，实验者可根据微地址和微指令格式将微指令⼆进制代码写⼊到控制存储器2816中。
当处于“校验状态”时，可以对写⼊控制存储器中的⼆进制代码进⾏验证，从⽽可以判断写⼊的⼆进制代码是否正确。
当处于“运⾏状态”时，只要给出微程序的⼊⼝微地址，则可根据微程序流程图⾃动执⾏微程序。
图中微地址寄存器输出端增加了⼀组⼆态门74LS245，⽬的是隔离触发器的输出，增加抗⼲扰能⼒，并⽤来驱动微地址显⽰灯。
西安交大计算机组成原理—习题解答(第七章)汇编
BUS→A
BUS→B
BUS→C
B73 G
1D
8D
令： D →BUS = -T0 A →BUS = -T2 BUS→A = P1 BUS→B = P3
>=1
>=1
T1 T3 T0 T2
Copyright ©2012 Computer Organization Group. All rights reserved.
第七章 7.1
7.1 请分析CPU内部采用分散互连结构和单总线以及多总线结构的优 缺点。
答： 分散互连结构是在需要进行数据传输的部件间设置专用通路。该结构
的优势是部件间不存在传输通路的竞争问题，所以指令执行速度快。 单总线结构是将各部件都连接在单一的总线上。其优势是CPU结构紧
凑，但由于部件间争用总线造成指令执行速度慢。 双总线结构是在单总线结构的基础上增加了一条总线，使得ALU的两
T0时间完成D→总线； T1时间完成总线→A； T2时间完成A→总线； T3时间完成总线→B。
Copyright ©2012 Computer Organization Group. All rights reserved.
第七章 7.2
解： （1）采用三态输出的D型寄存器74LS374做A、B、C、
Copyright ©2012 Computer Organization Group. All rights reserved.
第七章 7.4
7.4 欲在7.3.4给出的目标指令集中增加一条立即数加法 指令addi rt,rs,imm16，若CPU采用单周期数据通路设 计方案，请问在7.5.1中给出的图7-19数据通路能否支 持该指令的执行？若不能，请问如何修改？并用指令周 期流程图描述该指令的完整执行过程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
◆ 绝对地址：由微代码存储器提供。 ◆ 映射逻辑
每个微序列控制器必须能够访问正确的执 行周期，这功能可用映射逻辑来实现。 (1)已读取指令的操作码输入到一个映射硬件，
此硬件将该操作码转换或映射成该指令执行 周期的第一条微指令所在的地址； (2)把这一地址装载到寄存器，微序列控制器就 能转入到正确的执行过程。
在取指令周期的末端使用一次。 ◆ 微子程序
子程序入口地址：由微代码存储器给出绝对地址。 返回地址（当前地址加1）：存储在微子程序寄存器
或硬件堆栈中，此地址 用从微子程序中返回。
7.1.2 微指令的格式
1．典型的微指令格式
◆ 选择域：指明下一条微指令地址的来源 ◆ 地址域：指明一个绝对地址 ◆ 微操作域：一个或多个
7.1 微序列控制器设计基础
7.1.1 微序列控制器的操作
1．典型微序列控制器的组成 ◆ 寄存器存储的值与CPU状态图中的一个状态相对 应，且当作地址输入到微代码存储器中。 ◆ 存储器的输出是一条微指令，即那个地址对应的 存储单元内容。所有微指令集中组成CPU的微代 码或微程序。 ◆ 下址产生模块产生所有可能的下一地址或下址， 然后从中选择一个正确的下址送入寄存器中。
第七章 微序列控制单元设计
7.1 微序列控制器设计基础 7.2 非常简单微序列控制器的设计和实现 7.3 相对简单微序列控制器的设计和实现 7.4 减少微指令数 7.5 微程序控制和硬布线控制的比较 7.6 实例：一个（大部分是）微代码的CPU
奔腾微处理器
微序列控制器：把控制信号存储在一个查找表 ROM，即微代码存储器中。按照正确的次序访问 ROM中的内容，查找表ROM就可以以适当的顺 序发 出控制信号，从而实现处理器指令集中的指令。
程序、指令、微程序、微指令、微操作控制信号、微 操作的关系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
微指令（ 1 微命令1、微命令2、微命令n）
程序指令1微程序1微 微指 指令 令n2
完成一组微操作
指令2微程序2
指令n微程序n
4．下址的产生 四种常用方法：
◆ 当前地址加1：微代码存储器中的下一地址， 即当前地址加1。
微代码程序在微代码存储器中顺序存放。 （提高可读性、微程序易于调试）
2．微操作的三种编码方法 ◆ 水平微代码 列出CPU所要执行的每一个微操作 将微指令微操作域中的一位分配给每个微操作
例如：一个CPU需要执行50个微操作， 它的每一条微指令的微操作域将占用50位。
微指令太长，大部分微操作位不是有效的。
◆ 垂直微代码 所有微操作组合成组，组中的每个微操作
被分配一个唯一的编码值。 例如：16个微操作 —— 四位二进制来编码 微指令位数少，但需要译码器。
3. 微程序控制器的工作过程 ① 启动取指令微程序
(PC)→MAR，读出机器指令→IR，PC增量 ② 根据IR中的操作码，通过微地址形成电路产生该指令
的微程序的起始微地址，并送入μMAR中。 ③ μMAR中的微地址经译码、驱动，从被选的控存单元
中取出一条微指令。 ④ 微指令的操作控制字段经译码或直接产生一组微操作
步骤: 1.确定基本结构
下地址来源 微代码存储器的地址宽度 2.编写微程序 顺序控制部分：地址域、选择域 操作控制部分：微操作域 3.产生微操作控制信号
7.2.1 基本布局
1.非常简单微序列 控制器的基本结构
2. 只用到两种可能的下址方式 操作码映射 绝对跳转
为什么可以这样做？ 考虑第六章所示的该CPU的状态图。 ◆ 取指令周期的最后一个状态FETCH3可以转到
执行这段微程序，完成指令规定的操作功能。
机器指令 ADD
（在主存中）
一段微程序
（在控制存储器ROM中）
FETCH1（0） 100000000 微指 令
FETCH2（1） 001010000 微指 令
FETCH3（2） 010001000 微指 令
ADD1（8） 000001000 微指令 ADD2（9） 000000100 微指令
几个基本概念
1. 微操作控制信号: 如:PCLOAD、ACINC
2. 微操作：由微操作控制信号控制实现的最基本操作。
一个微操作是在一组微操作控制信号的控制下实现的。
如：AR←PC
ARLOAD、PCBUS
3. 微指令：控制完成一组微操作的二进制编码字。
4. 微程序或微代码：一系列微指令的有序集合。
每一条机器指令对应着一段微程序，通过解释
控制信号并送往有关的功能部件，控制其完成所规定 的微操作。
⑤ 微指令的地址控制字段及有关状态条件送往微地址 形成电路，产生下条微指令的地址，再去读取并执 行下条微指令。如此循环，直到一条机器指令的微 程序全部执行完毕。
⑥ 一条指令的微程序执行结束，再启动取指令微指令 或微程序，读取下条机器指令。根据该指令码形成 起始微地址，又转入执行它的一段微程序。
四个执行周期中的一个，这必须通过映射输 入来实现。 ◆ 剩余的每一状态都必须转到一个具体的次态， 可以通过绝对跳转来实现。
必须确定CPU的几件事情： 从微代码存储器输出的绝对地址宽度有几位？ ◆ CPU的状态图中共有九种状态，每种状态代表
一条微指令，从中选择的话最少需要4位绝对 地址。既然映射硬件也生成同样宽度的地址， 那么输出的地址就是4位宽度。 ◆ 多路选择器输出到寄存器的输入、以及寄存器 输出到微代码存储器的输入，也都是4位宽度。
◆ 控制信号的直接生成 微代码将微操作组合在一起，不同的是，它
把控制信号值直接存储在微指令中。 代码的可读性差，调试困难。
7.2 非常简单微序列控制器的设计和实现
采用微序列控制器重新设计第六章所讨论的非 常简单CPU。
指令集、有限状态机、数据通路和ALU单元都 是相同的，CPU内部的数据流也没有变化，只有控 制信号的产生方法有所改变。
典型微序列控制器的组成
2．微指令的组成 微指令由几个域组成，其bit位可分为两组。
◆ 微操作（微序列控制器的微序列部分） 或者输入到组合逻辑以生成CPU 的控制信号，或者直接产生控制信号。
◆ 下一个地址（微序列控制器的序列控制部分） 用来产生存储到寄存器中的下一个地址，
这些位连同指令的操作码和标志值一起输入 到组合逻辑以产生下一条微指令的地址。