微程序控制器

7.5微程序控制器7.5.1 微程序控制基本原理7.5.2 微指令編碼方式7.5.3 微程序的順序控制7.5.4 微程序控制的時(shí)序第1頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.1微程序控制基本原理基本思想：計(jì)算機(jī)操作可以歸結(jié)為信息傳遞，而信息傳遞的關(guān)鍵是控制門。控制門可以用存儲(chǔ)器中的信息來(lái)控制，從而可用類似于程序設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制邏輯，這就是微程序控制的基本思想。硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、規(guī)整；靈活性好，便于擴(kuò)充指令。執(zhí)行速度慢2第2頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.1微程序控制基本原理微程序控制的基本概念微命令與微操作：用來(lái)打開或關(guān)閉信息控制門的控制命令稱為微命令，由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本操作稱作微操作。微指令：若干個(gè)微命令的組合。通常以編碼的形式存放在控存中。微程序：微指令的有序組合。一段微程序控制實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令。3第3頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成4第4頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成控制存儲(chǔ)器和微地址用來(lái)存放微程序的存儲(chǔ)器稱為控制存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱控存（CM）。每個(gè)控存單元存放一條微指令。控存單元的地址稱為微地址，即微指令的地址。5第5頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成6第6頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成微指令寄存器μIR標(biāo)志微指令執(zhí)行的開始微操作控制部分以編碼的形式存在，經(jīng)過(guò)微指令譯碼后形成微操作控制信號(hào)，即微命令。順序控制部分控制微指令的執(zhí)行順序，包含了下一條微指令地址的信息，用于形成后繼微指令的微地址。7第7頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成8第8頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成微地址形成電路μAG。有三個(gè)輸入μIR的順序控制部分IR主要用于產(chǎn)生微程序的入口地址，比如依據(jù)指令的操作碼形成對(duì)應(yīng)各指令執(zhí)行階段的微程序入口地址。PSW在某些場(chǎng)合，需要根據(jù)PSW中的狀態(tài)標(biāo)志決定分支轉(zhuǎn)移的微地址。9第9頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成10第10頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制器的基本組成微地址寄存器μAR接收μAG形成的微地址標(biāo)志從控存中讀取下一條微指令的開始初始值取指令微程序的入口地址在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)初始化RESET11第11頁(yè)，共30頁(yè)。微程序控制的基本工作過(guò)程12第12頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.2微指令編碼方式水平型微指令微指令的字長(zhǎng)比較長(zhǎng)在一條微指令中可以產(chǎn)生較多的微命令操作的并行性較高。垂直型微指令微指令的字長(zhǎng)比較短操作的并行性不高微程序比水平型的要長(zhǎng)13第13頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.2微指令編碼方式直接控制方式微指令中微操作控制部分的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)微命令，微命令的產(chǎn)生不必經(jīng)過(guò)譯碼，輸出后直接作為微操作控制信號(hào)。因此又稱不譯法。例如將ALU和移位寄存器的控制信號(hào)用直接控制法進(jìn)行組合特點(diǎn)直觀、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，執(zhí)行速度快，

具有高度的并行操作能力。編碼效率低，微指令字長(zhǎng)很長(zhǎng)，

對(duì)控存容量的需求較大，不經(jīng)濟(jì)，

缺乏實(shí)用價(jià)值。是典型的水平型微指令SLSRSVADDADDCSUBSUBBANDORNOT14第14頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.2微指令編碼方式字段直接編碼方式將微指令分為若干個(gè)字段，每個(gè)字段獨(dú)立編碼，每種編碼表示一個(gè)微命令既可以縮短微指令字長(zhǎng)，又保持了一定的并行操作能力并沒有導(dǎo)致微程序變長(zhǎng)，仍然屬于水平型微指令格式2位3位移位控制字段運(yùn)算控制字段00:NOP000：NOP01:SL001：ADD10:SR010：ADDC11:SV011：SUB100：SUBB101：AND110：OR111：NOT15第15頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.2微指令編碼方式字段直接編碼方式相斥性微命令在一個(gè)微周期中不應(yīng)該或者不可能同時(shí)出現(xiàn)的微命令例如ALU的運(yùn)算控制微命令存儲(chǔ)器的讀和寫相容性微命令可以同時(shí)出現(xiàn)的微命令例如，ALU和存儲(chǔ)器之間的微命令分段原則相斥性的微命令安排在同一字段，而相容性的、尤其是那些必須同時(shí)操作的相容性微命令安排在不同字段16第16頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.2微指令編碼方式字段間接編碼方式微命令的產(chǎn)生并不是直接從一個(gè)字段譯碼得到，而是需要另一個(gè)字段的編碼加以解釋有效地壓縮了微指令字長(zhǎng)，不僅組內(nèi)的微命令是相斥的，組與組之間也成為互斥的，降低了微指令的并行操作能力，接近于垂直型微指令格式。17第17頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.3微程序的順序控制MicroprogramSequenceControl當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，如何產(chǎn)生下一條微指令的地址。實(shí)質(zhì)上就是微地址形成問(wèn)題。18第18頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.3微程序的順序控制增量計(jì)數(shù)器法在順序執(zhí)行時(shí)，μAR+1μAR也稱為μPC，即微程序計(jì)數(shù)器需要轉(zhuǎn)移時(shí)，由微轉(zhuǎn)移指令給出轉(zhuǎn)移微地址，更新μAR兩種微指令格式微命令微轉(zhuǎn)移缺點(diǎn)微轉(zhuǎn)移指令將耗費(fèi)一個(gè)微周期。由于微程序中的轉(zhuǎn)移是頻繁發(fā)生的，這就制約了微程序的運(yùn)行速度。適合速度要求不高的計(jì)算機(jī)采用。0微操作控制部分1微轉(zhuǎn)移地址19第19頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.3微程序的順序控制下一地址字段法設(shè)置一個(gè)專門的字段，用來(lái)指明下一條微指令的地址純粹的下址字段法不能產(chǎn)生分支轉(zhuǎn)移增加轉(zhuǎn)移方式字段下址字段作為后繼微地址的高位部分，指定了后繼微地址在某個(gè)區(qū)域內(nèi)。轉(zhuǎn)移方式字段控制硬件邏輯測(cè)試相關(guān)狀態(tài)條件，產(chǎn)生后繼微地址的低位部分。狀態(tài)條件的不同，將產(chǎn)生不同的微地址，實(shí)現(xiàn)兩分支或多分支轉(zhuǎn)移。微操作控制部分下址字段微操作控制部分轉(zhuǎn)移方式字段下址字段20第20頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序完成一條微指令分為兩個(gè)階段：取微指令（CP1）和執(zhí)行微指令（CP2）21第21頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序串行執(zhí)行方式取微指令和執(zhí)行微指令按順序進(jìn)行，在一條微指令執(zhí)行完成后，才去取下一條微指令。CP1的上升沿：將下地址打入μAR，啟動(dòng)一次讀操作。CP2上升沿：將CM中讀出的微指令打入μIR，開始執(zhí)行微指令。22第22頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序CP1周期內(nèi)CM輸出不變CP2周期內(nèi)μIR輸出不變23第23頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序CP1上升沿的第二個(gè)作用：將操作結(jié)果打入某個(gè)寄存器，結(jié)束當(dāng)前微周期。CP1的上升沿既是當(dāng)前微周期的結(jié)束，又是下一個(gè)微周期的開始。24第24頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序25第25頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序串行執(zhí)行方式取微指令時(shí)間tcm：從CP1的上升沿到CP2的上升沿執(zhí)行微指令時(shí)間tμop:從CP2的上升沿至下一個(gè)CP1的上升沿tμop與組合邏輯控制方式的節(jié)拍周期的時(shí)間大體相當(dāng)

所以組合邏輯控制比微程序控制速度更快微周期Tμ=tcm+tμop

26第26頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序并行執(zhí)行方式按時(shí)間重疊的原則將執(zhí)行微指令和取微指令操作并行執(zhí)行在一條微指令執(zhí)行結(jié)束前，下一條微指令提前從控存中取出27第27頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4微程序控制的時(shí)序并行執(zhí)行方式CP1的上升沿：將下地址打入μAR，啟動(dòng)一次讀操作。CP2上升沿的作用有兩個(gè)：將CM中讀出的微指令打入μIR，開始執(zhí)行微指令。將當(dāng)前微指令執(zhí)行的結(jié)果打入某個(gè)寄存器。28第28頁(yè)，共30頁(yè)。7.5.4