控制器概要课件

第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器第七章第七章 控制器控制器 7.1 7.1 控制器的组成及指令的执行控制器的组成及指令的执行控制器的组成及指令的执行控制器的组成及指令的执行7.2 7.2 控制方式和时序的产生控制方式和时序的产生控制方式和时序的产生控制方式和时序的产生7.3 7.3 微程序控制器微程序控制器微程序控制器微程序控制器7.4 7.4 微程序控制器及其微程序设计举例微程序控制器及其微程序设计举例微程序控制器及其微程序设计举例微程序控制器及其微程序设计举例7.5 7.5 硬布线控制器硬布线控制器硬布线控制器硬布线控制器7.6 7.6 流水线的基本原理流水线的基本原理流水线的基本原理流水线的基本原理7.7 Pentium CPU7.7 Pentium CPU本章小结本章小结本章小结本章小结作业作业作业作业1第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器7.3 微程序控制器微程序控制器一、基本概念一、基本概念二、微程序控制器的基本工作原理二、微程序控制器的基本工作原理三、微程序控制器的组成三、微程序控制器的组成四、微程序控制原理举例四、微程序控制原理举例五、微程序设计技术五、微程序设计技术2第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器一、一、基本概念基本概念1.微微微微操操操操作作作作：指指指指令令令令执执执执行行行行时时时时必必必必须须须须完完完完成成成成的的的的基基基基本本本本操操操操作作作作。例如，例如，例如，例如，PCARPCAR，PC+1 PCPC+1 PC，RAMIRRAMIR。2.微微微微命命命命令令令令：是是是是组组组组成成成成微微微微指指指指令令令令的的的的最最最最小小小小单单单单位位位位，也也也也就就就就是是是是控控控控制制制制微微微微操操操操作作作作实实实实现现现现的的的的控控控控制制制制信信信信号号号号。一一一一般般般般用用用用于于于于控控控控制制制制数据通路数据通路数据通路数据通路上上上上门的打开门的打开门的打开门的打开/关闭关闭关闭关闭，或者，或者，或者，或者功能选择功能选择功能选择功能选择。3.微微微微指指指指令令令令：是是是是一一一一组组组组微微微微命命命命令令令令的的的的集集集集合合合合，用用用用于于于于完完完完成成成成一一一一个功能相对完整的操作。个功能相对完整的操作。个功能相对完整的操作。个功能相对完整的操作。4.微微微微程程程程序序序序：微微微微指指指指令令令令的的的的有有有有序序序序集集集集合合合合，用用用用于于于于实实实实现现现现机机机机器器器器指令的功能。指令的功能。指令的功能。指令的功能。3第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器一、一、基本概念基本概念5.控控控控制制制制存存存存储储储储器器器器：简简简简称称称称控控控控存存存存，用用用用于于于于存存存存放放放放所所所所有有有有指指指指令令令令的的的的微微微微程程程程序序序序，其其其其中中中中一一一一个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元存存存存放放放放一一一一条条条条微微微微指指指指令令令令。一般为一般为一般为一般为ROMROM。6.微地址：微地址：微地址：微地址：微指令在控存中的地址。微指令在控存中的地址。微指令在控存中的地址。微指令在控存中的地址。7.微微微微周周周周期期期期：指指指指从从从从控控控控存存存存中中中中取取取取出出出出并并并并执执执执行行行行一一一一条条条条微微微微指指指指令令令令所所所所需要的时间，一般需要的时间，一般需要的时间，一般需要的时间，一般与一个机器周期相当与一个机器周期相当与一个机器周期相当与一个机器周期相当。4第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器二、微程序控制器的基本工作原理二、微程序控制器的基本工作原理一条机器指令由一段微程序来解释实现一条机器指令由一段微程序来解释实现一条机器指令由一段微程序来解释实现一条机器指令由一段微程序来解释实现 。微程序控制的计算机工作过程：微程序控制的计算机工作过程：微程序控制的计算机工作过程：微程序控制的计算机工作过程：开机开机上电上电产生产生Reset信号信号置置PC为第一条指令的地址为第一条指令的地址置置PC为取指令为取指令微程序段的入口地址微程序段的入口地址取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令执行取指令执行取指令微程序段微程序段产生该指令的微产生该指令的微程序入口地址程序入口地址执行该指令执行该指令的微程序段的微程序段5第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器三、微程序控制器的组成三、微程序控制器的组成微程序控微程序控制器的组制器的组成框图成框图6第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器微程序控制器的构成部件微程序控制器的构成部件1.1.控制存储器控制存储器控制存储器控制存储器:简称控存、简称控存、简称控存、简称控存、CMCM，用于存放微程序，一般由，用于存放微程序，一般由，用于存放微程序，一般由，用于存放微程序，一般由ROMROM构成。构成。构成。构成。2.2.微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器:存放要访问的控存中的微指令的地址，存放要访问的控存中的微指令的地址，存放要访问的控存中的微指令的地址，存放要访问的控存中的微指令的地址，又称又称又称又称AR AR、CMARCMAR。3.3.微指令寄存器微指令寄存器微指令寄存器微指令寄存器:存放从控存中读出的微指令本身，又称存放从控存中读出的微指令本身，又称存放从控存中读出的微指令本身，又称存放从控存中读出的微指令本身，又称IRIR。其控制字段用于产生微操作控制信号，其下址则。其控制字段用于产生微操作控制信号，其下址则。其控制字段用于产生微操作控制信号，其下址则。其控制字段用于产生微操作控制信号，其下址则送至微地址形成电路，产生下一条微指令的地址。送至微地址形成电路，产生下一条微指令的地址。送至微地址形成电路，产生下一条微指令的地址。送至微地址形成电路，产生下一条微指令的地址。4.4.微地址形成电路微地址形成电路微地址形成电路微地址形成电路:用于产生下一条微指令的地址。包含用于产生下一条微指令的地址。包含用于产生下一条微指令的地址。包含用于产生下一条微指令的地址。包含了指令译码器，了指令译码器，了指令译码器，了指令译码器，5.5.微程序控制器中微程序控制器中微程序控制器中微程序控制器中IDID的作用是将指令寄存器中的操作码的作用是将指令寄存器中的操作码的作用是将指令寄存器中的操作码的作用是将指令寄存器中的操作码OPOP转换成该指令的微程序入口地址。转换成该指令的微程序入口地址。转换成该指令的微程序入口地址。转换成该指令的微程序入口地址。7第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器四、微程序控制原理举例四、微程序控制原理举例（一）模型计算机系统结构（一）模型计算机系统结构（二）模型计算机数据通路（二）模型计算机数据通路（三）模型计算机控制信号（三）模型计算机控制信号（四）微指令格式（四）微指令格式（五）微程序设计举例（五）微程序设计举例8第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（一）模型计算机系（一）模型计算机系（一）模型计算机系（一）模型计算机系统结构统结构统结构统结构9第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（二）模型计算机数据通路（二）模型计算机数据通路1 1、存储器读操作、存储器读操作、存储器读操作、存储器读操作：分成两步：分成两步：分成两步：分成两步：送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器ARAR；发送存储器读信号发送存储器读信号发送存储器读信号发送存储器读信号M-R#=0M-R#=0，启动存储器读操作，启动存储器读操作，启动存储器读操作，启动存储器读操作，并将读出的数据从总线上接收至目的部件（例如并将读出的数据从总线上接收至目的部件（例如并将读出的数据从总线上接收至目的部件（例如并将读出的数据从总线上接收至目的部件（例如某通用寄存器或者暂存器某通用寄存器或者暂存器某通用寄存器或者暂存器某通用寄存器或者暂存器DA1DA1、DA2DA2）。）。）。）。例如：取指令操作例如：取指令操作例如：取指令操作例如：取指令操作PCARPCAR，PC+1PC+1；发送发送发送发送M-R#=0 M-R#=0，并，并，并，并RAMIRRAMIR。10第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（二）模型计算机数据通路（二）模型计算机数据通路2 2、存储器写操作：、存储器写操作：、存储器写操作：、存储器写操作：分成两步：分成两步：分成两步：分成两步：送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器送地址到总线，并打入地址寄存器ARAR；送数据到总线，并发送存储器写信号送数据到总线，并发送存储器写信号送数据到总线，并发送存储器写信号送数据到总线，并发送存储器写信号M-W#=0M-W#=0，启，启，启，启动存储器写操作。动存储器写操作。动存储器写操作。动存储器写操作。3 3、运算器的运算操作：、运算器的运算操作：、运算器的运算操作：、运算器的运算操作：分成三步：分成三步：分成三步：分成三步：送第一个数据到总线，并打入送第一个数据到总线，并打入送第一个数据到总线，并打入送第一个数据到总线，并打入ALUALU暂存器暂存器暂存器暂存器DA1/DA2DA1/DA2送第二个数据到总线，且打入送第二个数据到总线，且打入送第二个数据到总线，且打入送第二个数据到总线，且打入ALUALU暂存器暂存器暂存器暂存器DA2/DA1DA2/DA1发送运算器功能选择信号发送运算器功能选择信号发送运算器功能选择信号发送运算器功能选择信号S3S3S0S0、MM、CiCi，控制，控制，控制，控制ALUALU进行某种运算，并打开进行某种运算，并打开进行某种运算，并打开进行某种运算，并打开ALUALU输出三态门输出三态门输出三态门输出三态门(ALU-(ALU-B#=0)B#=0)，将总线上运算结果送目的部件。，将总线上运算结果送目的部件。，将总线上运算结果送目的部件。，将总线上运算结果送目的部件。11第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（三）模型计算机控制信号（三）模型计算机控制信号序序序序号号号号控制信控制信控制信控制信号号号号功能功能功能功能序序序序号号号号控制信控制信控制信控制信号号号号功能功能功能功能1 1PC-B#PC-B#指令地址送指令地址送指令地址送指令地址送总线总线8 8S3S3S3-S0S3-S0选择选择ALU16ALU16种运算之一种运算之一种运算之一种运算之一2 2B-ARB-AR总线总线数据打入数据打入数据打入数据打入ARAR9 9S2S23 3PC+1PC+1程序程序程序程序计计数器数器数器数器+1+11010S1S14 4B-PCB-PC总线总线数据打入数据打入数据打入数据打入PCPC1111S0S05 5B-IRB-IR总线总线数据打入数据打入数据打入数据打入IRIR1212MM选择逻辑选择逻辑运算运算运算运算(1)(1)和和和和算数运算算数运算算数运算算数运算(0)(0)6 6M-WM-W存存存存储储器写器写器写器写1313B-DA1B-DA1总线总线数据打入数据打入数据打入数据打入暂暂存存存存器器器器DA1DA17 7M-RM-R存存存存储储器器器器读读1414B-DA2B-DA2总线总线数据打入数据打入数据打入数据打入暂暂存存存存器器器器DA2DA212第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（三）模型计算机控制信号（三）模型计算机控制信号序序序序号号号号控制信控制信控制信控制信号号号号功能功能功能功能序序序序号号号号控制信控制信控制信控制信号号号号功能功能功能功能1515ALU-BALU-B运算器运算器运算器运算器ALUALU内容内容内容内容送总线送总线送总线送总线2222R1-BR1-BR1R1内容送总线内容送总线内容送总线内容送总线1616CiCiALUALU进位输入进位输入进位输入进位输入2323R2-BR2-BR2R2内容送总线内容送总线内容送总线内容送总线1717B-R0B-R0总线数据打入总线数据打入总线数据打入总线数据打入R0R02424R3-BR3-BR3R3内容送总线内容送总线内容送总线内容送总线1818B-R1B-R1总线数据打入总线数据打入总线数据打入总线数据打入R1R12525I/O-WI/O-W写（输出）写（输出）写（输出）写（输出）I/OI/O端口端口端口端口1919B-R2B-R2总线数据打入总线数据打入总线数据打入总线数据打入R2R22626I/O-WI/O-W读（输入）读（输入）读（输入）读（输入）I/OI/O端口端口端口端口2020B-R3B-R3总线数据打入总线数据打入总线数据打入总线数据打入R3R32727AiAi端口地址端口地址端口地址端口地址线线2121R0-BR0-BR0R0内容送总线内容送总线内容送总线内容送总线2828J1#J1#指令指令指令指令译码译码器器器器译码译码13第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（四）微指令格式（四）微指令格式微指令的微指令的微指令的微指令的控制字段控制字段控制字段控制字段2828位，一位表示一个微命令。位，一位表示一个微命令。位，一位表示一个微命令。位，一位表示一个微命令。微指令的微指令的微指令的微指令的下址字段下址字段下址字段下址字段指出下一条微指令的地址，该模指出下一条微指令的地址，该模指出下一条微指令的地址，该模指出下一条微指令的地址，该模型机的控制存储器地址是型机的控制存储器地址是型机的控制存储器地址是型机的控制存储器地址是7 7位，表示最多有位，表示最多有位，表示最多有位，表示最多有128128个单个单个单个单元，每个单元（元，每个单元（元，每个单元（元，每个单元（28+7=3528+7=35位）。位）。位）。位）。14第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（五）微程序设计举例（五）微程序设计举例微程序设计步骤：微程序设计步骤：1)根据数据通路，根据数据通路，根据数据通路，根据数据通路，写出每条指令的执行过程写出每条指令的执行过程写出每条指令的执行过程写出每条指令的执行过程，画，画，画，画出微程序流程图。出微程序流程图。出微程序流程图。出微程序流程图。2)写出每条微指令所写出每条微指令所写出每条微指令所写出每条微指令所发出的微操作控制信号发出的微操作控制信号发出的微操作控制信号发出的微操作控制信号。3)按照微指令格式，按照微指令格式，按照微指令格式，按照微指令格式，编写每条微指令的代码编写每条微指令的代码编写每条微指令的代码编写每条微指令的代码。4)对照指令的执行流程图，对照指令的执行流程图，对照指令的执行流程图，对照指令的执行流程图，分配微指令的地址分配微指令的地址分配微指令的地址分配微指令的地址5)将写好的微指令按分配好的微地址将写好的微指令按分配好的微地址将写好的微指令按分配好的微地址将写好的微指令按分配好的微地址装入控制存装入控制存装入控制存装入控制存储器储器储器储器。15第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（五）微程序设计举例（五）微程序设计举例假设存放在存储器中的二条指令内容为：假设存放在存储器中的二条指令内容为：地址地址地址地址机器码机器码机器码机器码助记符助记符助记符助记符功能功能功能功能04H04H0101 00000101 0000ADD RADD R0 0,06H06H(R(R0 0)+06H)+06HR R0 005H05H0000 01100000 0110（立即数）（立即数）（立即数）（立即数）06H06H1000 00001000 0000JMP 04HJMP 04H04H04HPCPC07H07H0000 01000000 0100（转移地址）（转移地址）（转移地址）（转移地址）16第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器1、指令执行过程、指令执行过程ADD RADD R0 0,06H,06H取指令：取指令：取指令：取指令：M1(M1(送存储器地址送存储器地址送存储器地址送存储器地址)：PCPCAR,PC+1AR,PC+1M2(M2(读存储器，指令译码读存储器，指令译码读存储器，指令译码读存储器，指令译码)：MEMMEM IR,J1#IR,J1#执行指令：执行指令：执行指令：执行指令：M3M3（取源操作数送地址）：（取源操作数送地址）：（取源操作数送地址）：（取源操作数送地址）：PCPCAR,PC+1AR,PC+1M4M4（取源操作数读）：（取源操作数读）：（取源操作数读）：（取源操作数读）：MEMMEM DA1 DA1M5M5（取目的操作数）：（取目的操作数）：（取目的操作数）：（取目的操作数）：R0 R0DA2DA2M6M6（计算并置结果）：（计算并置结果）：（计算并置结果）：（计算并置结果）：DA1+DA2DA1+DA2RdRd17第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器1、指令执行过程、指令执行过程JMP ADDRJMP ADDR取指令：取指令：取指令：取指令：M1(M1(送存储器地址送存储器地址送存储器地址送存储器地址)：PCPCAR,PC+1AR,PC+1M2(M2(读存储器读存储器读存储器读存储器,指令指令指令指令译码译码译码译码)：RAMRAMIR,IR,J1#J1#执行指令：执行指令：执行指令：执行指令：M4M4（取操作数送地（取操作数送地（取操作数送地（取操作数送地址）：址）：址）：址）：PCPCAR,AR,PC+1PC+1M5M5（取操作数读）：（取操作数读）：（取操作数读）：（取操作数读）：RAMRAM PC PC18第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器2、指令执行时产生的微操作序列、指令执行时产生的微操作序列序号序号序号序号功能功能功能功能发发送控制信号送控制信号送控制信号送控制信号取指取指取指取指令令令令（1 1）PCAR,PC+1PCAR,PC+1PC-B#,B-AR,PC+1,PC-B#,B-AR,PC+1,（2 2）MEMIRMEMIRM-R#,B-IR,J1#M-R#,B-IR,J1#ADDADD（1 1）PCAR,PC+1PCAR,PC+1PC-B#,B-AR,PC+1,PC-B#,B-AR,PC+1,（2 2）MEMDA1MEMDA1M-R#,B-DA1M-R#,B-DA1（3 3）R0DA2R0DA2R0-B#,B-DA2R0-B#,B-DA2（4 4）DA1+DA2R0DA1+DA2R0S3S0,M,Ci=100101,ALS3S0,M,Ci=100101,ALU-B#,B-R0U-B#,B-R0JMPJMP（1 1）PCAR,PC+1PCAR,PC+1PC-B#,B-AR,PC+1,PC-B#,B-AR,PC+1,（2 2）MEMPCMEMPCM-R#,B-PC#M-R#,B-PC#19第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器3、指令的微程序代码：、指令的微程序代码：ADD20第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器3、指令的微程序代码：、指令的微程序代码：JMP21第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器4、为微指令分配微地址、为微指令分配微地址01H02H20H21H07H04H05H06H22第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器五、微程序设计技术五、微程序设计技术采用微程序设计的采用微程序设计的采用微程序设计的采用微程序设计的目的目的目的目的：缩短微指令字长；缩短微指令字长；缩短微指令字长；缩短微指令字长；减少控制存储器的容量；减少控制存储器的容量；减少控制存储器的容量；减少控制存储器的容量；微程序的执行速度；微程序的执行速度；微程序的执行速度；微程序的执行速度；易于微指令的修改；易于微指令的修改；易于微指令的修改；易于微指令的修改；增加微程序设计的灵活性。增加微程序设计的灵活性。增加微程序设计的灵活性。增加微程序设计的灵活性。微指令由两部分构成：微指令由两部分构成：微指令由两部分构成：微指令由两部分构成：控制字段：控制字段：控制字段：控制字段：指出微指令的功能，表示要发送的微命令指出微指令的功能，表示要发送的微命令指出微指令的功能，表示要发送的微命令指出微指令的功能，表示要发送的微命令下址字段：下址字段：下址字段：下址字段：用于指出下一条微指令的地址。用于指出下一条微指令的地址。用于指出下一条微指令的地址。用于指出下一条微指令的地址。23第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器五、微程序设计技术五、微程序设计技术（一）控制字段的编码方法（一）控制字段的编码方法（二）下址字段的设计方法（二）下址字段的设计方法（三）微指令格式的类型（三）微指令格式的类型（四）控制存储器和动态微程序设计（四）控制存储器和动态微程序设计（五）毫微程序设计（五）毫微程序设计24第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（一）控制字段的编码方法（一）控制字段的编码方法1 1、直接控制法：、直接控制法：、直接控制法：、直接控制法：微指令的控制字段中，每一位代表一微指令的控制字段中，每一位代表一微指令的控制字段中，每一位代表一微指令的控制字段中，每一位代表一个微命令（控制信号），在设计微指令时，如果要发个微命令（控制信号），在设计微指令时，如果要发个微命令（控制信号），在设计微指令时，如果要发个微命令（控制信号），在设计微指令时，如果要发出某个微命令则将控制字段中对应位置有效信号，即出某个微命令则将控制字段中对应位置有效信号，即出某个微命令则将控制字段中对应位置有效信号，即出某个微命令则将控制字段中对应位置有效信号，即打开对应控制门。打开对应控制门。打开对应控制门。打开对应控制门。优点：优点：优点：优点：无需译码，执行速度快；微程序较短。无需译码，执行速度快；微程序较短。无需译码，执行速度快；微程序较短。无需译码，执行速度快；微程序较短。缺点：缺点：缺点：缺点：微指令字长很长，占用控存容量大。微指令字长很长，占用控存容量大。微指令字长很长，占用控存容量大。微指令字长很长，占用控存容量大。2 2、全译码方式：、全译码方式：、全译码方式：、全译码方式：将所有的控制信号进行编码，作为控将所有的控制信号进行编码，作为控将所有的控制信号进行编码，作为控将所有的控制信号进行编码，作为控制字段。在执行微指令时，译码产生各个微命令。制字段。在执行微指令时，译码产生各个微命令。制字段。在执行微指令时，译码产生各个微命令。制字段。在执行微指令时，译码产生各个微命令。优点：优点：优点：优点：微指令字长很短。微指令字长很短。微指令字长很短。微指令字长很短。缺点：缺点：缺点：缺点：并行操作能力弱，微程序很长，执行速度慢并行操作能力弱，微程序很长，执行速度慢并行操作能力弱，微程序很长，执行速度慢并行操作能力弱，微程序很长，执行速度慢25第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（一）控制字段的编码方法（一）控制字段的编码方法3 3、字段直接编译法、字段直接编译法、字段直接编译法、字段直接编译法 ：将控制字段分成若干段，每段通将控制字段分成若干段，每段通将控制字段分成若干段，每段通将控制字段分成若干段，每段通过编码过编码过编码过编码/译码对应到各个控制信号。译码对应到各个控制信号。译码对应到各个控制信号。译码对应到各个控制信号。优点：并行操作能力较强，字长较短优点：并行操作能力较强，字长较短优点：并行操作能力较强，字长较短优点：并行操作能力较强，字长较短分段原则是：分段原则是：分段原则是：分段原则是：相斥性微命令分在同一字段内，相容性相斥性微命令分在同一字段内，相容性相斥性微命令分在同一字段内，相容性相斥性微命令分在同一字段内，相容性微命令分在不同字段内微命令分在不同字段内微命令分在不同字段内微命令分在不同字段内。前者可以提高信息位的利用前者可以提高信息位的利用前者可以提高信息位的利用前者可以提高信息位的利用率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加快指令的执行速度。快指令的执行速度。快指令的执行速度。快指令的执行速度。相斥性微命令：相斥性微命令：相斥性微命令：相斥性微命令：指在同指在同指在同指在同一个微周期中一个微周期中一个微周期中一个微周期中不可能不可能不可能不可能同同同同时出现的微命令时出现的微命令时出现的微命令时出现的微命令。相容性微命令：相容性微命令：相容性微命令：相容性微命令：指在同指在同指在同指在同一个微周期中可以同时一个微周期中可以同时一个微周期中可以同时一个微周期中可以同时出现的微命令出现的微命令出现的微命令出现的微命令 26第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（一）控制字段的编码方法（一）控制字段的编码方法4 4、字段间接编译法、字段间接编译法、字段间接编译法、字段间接编译法 ：某字段的编码含意，除了其本身某字段的编码含意，除了其本身某字段的编码含意，除了其本身某字段的编码含意，除了其本身的编码外，还需要由另一字段来加以解释。也就是说，的编码外，还需要由另一字段来加以解释。也就是说，的编码外，还需要由另一字段来加以解释。也就是说，的编码外，还需要由另一字段来加以解释。也就是说，某一字段所产生的微命令，是和另一字段的代码联合某一字段所产生的微命令，是和另一字段的代码联合某一字段所产生的微命令，是和另一字段的代码联合某一字段所产生的微命令，是和另一字段的代码联合定义出来的。定义出来的。定义出来的。定义出来的。优点：进一步缩短微指令字长优点：进一步缩短微指令字长优点：进一步缩短微指令字长优点：进一步缩短微指令字长 例如：模型机的微指令格式定义例如：模型机的微指令格式定义例如：模型机的微指令格式定义例如：模型机的微指令格式定义(24(24位位位位)M23:21M23:21（3 3）M20:18M20:18（3 3）M17:15M17:15（3 3）M1M14 4(1)(1)M13:8M13:8（6 6）M7M7(1)(1)M6:0M6:0（7 7）BTOBTOOTBOTBFUNCFUNCFSFSS3:0 M CiS3:0 M Ci空空空空MA6:0 MA6:0 直接控直接控制法制法27第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机微指令字段编码表模型机微指令字段编码表 编码编码编码编码+译码译码译码译码BTOBTOOTBOTBFUNCFUNCFS=1FS=1FS=0FS=0000000空空空空空空空空PC+1PC+1空空空空001001B-DA1(t4)B-DA1(t4)ALU-B#(t2)ALU-B#(t2)J 1#(t2)J 1#(t2)M-W#(t3)M-W#(t3)010010B-DA2(t4)B-DA2(t4)299-B#(t2)299-B#(t2)J 2#(t2)J 2#(t2)M_R#(t2)M_R#(t2)011011B-IR(t3)B-IR(t3)SR-B#(t2)SR-B#(t2)J 3#(t2)J 3#(t2)I/O-W#(t3)I/O-W#(t3)100100B-DR(t4)B-DR(t4)DR-B#(t2)DR-B#(t2)J 4#(t2)J 4#(t2)I/O_R#(t2)I/O_R#(t2)101101B-SP(t4)B-SP(t4)SI-B#(t2)*SI-B#(t2)*J5#(t2)J5#(t2)INT_R#(t2)INT_R#(t2)110110B-AR(t3)B-AR(t3)SP-B#(t2)*SP-B#(t2)*CyCn#(t2)CyCn#(t2)INT_E#(t2)INT_E#(t2)111111B-PC#(t4)B-PC#(t4)PC-B#(t2)PC-B#(t2)CyNCn#(t2)CyNCn#(t2)字段间接字段间接编译法编译法字段直接字段直接编译法编译法28第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（二）下址字段的设计方法（二）下址字段的设计方法微指令中下址字段的结构和后继微指令地址的微指令中下址字段的结构和后继微指令地址的微指令中下址字段的结构和后继微指令地址的微指令中下址字段的结构和后继微指令地址的形成方法有关，又称为微程序流的控制。形成方法有关，又称为微程序流的控制。形成方法有关，又称为微程序流的控制。形成方法有关，又称为微程序流的控制。后继后继后继后继微指令地址获得方法有三种：微指令地址获得方法有三种：微指令地址获得方法有三种：微指令地址获得方法有三种：a)a)根根根根据据据据机机机机器器器器指指指指令令令令操操操操作作作作码码码码产产产产生生生生该该该该指指指指令令令令对对对对应应应应的的的的微微微微程程程程序序序序入入入入口口口口地址地址地址地址（通过指令译码散转）；（通过指令译码散转）；（通过指令译码散转）；（通过指令译码散转）；b)b)由下址字段指出下一微地址，或由下址字段指出下一微地址，或由下址字段指出下一微地址，或由下址字段指出下一微地址，或顺序顺序顺序顺序1 1；c)c)根根根根据据据据上上上上一一一一条条条条微微微微指指指指令令令令执执执执行行行行结结结结果果果果来来来来判判判判断断断断微微微微指指指指令令令令转转转转移移移移还还还还是是是是顺序执行微指令，即实现顺序执行微指令，即实现顺序执行微指令，即实现顺序执行微指令，即实现微程序分支微程序分支微程序分支微程序分支。29第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（二）下址字段的设计方法（二）下址字段的设计方法1、微程序入口地址的产生、微程序入口地址的产生2、后继微地址的产生、后继微地址的产生 3、模型机微地址的产生举例、模型机微地址的产生举例30第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器1、微程序入口地址的产生、微程序入口地址的产生根据机器指令的操作码转移到其对应的微程序根据机器指令的操作码转移到其对应的微程序根据机器指令的操作码转移到其对应的微程序根据机器指令的操作码转移到其对应的微程序入口地址，通常称为入口地址，通常称为入口地址，通常称为入口地址，通常称为操作码映射操作码映射操作码映射操作码映射。这是一种多分支情况，也就是指令译码，通常这是一种多分支情况，也就是指令译码，通常这是一种多分支情况，也就是指令译码，通常这是一种多分支情况，也就是指令译码，通常采用以下两种方法来实现这种转移。采用以下两种方法来实现这种转移。采用以下两种方法来实现这种转移。采用以下两种方法来实现这种转移。映射映射映射映射ROMROM：简称简称简称简称MAPROMMAPROM，该，该，该，该ROMROM中存放的是中存放的是中存放的是中存放的是指令的微程序入口地址。指令的微程序入口地址。指令的微程序入口地址。指令的微程序入口地址。以指令的操作码为地址以指令的操作码为地址以指令的操作码为地址以指令的操作码为地址，访问该访问该访问该访问该MAPROMMAPROM单元，读出的内容即是该指令的单元，读出的内容即是该指令的单元，读出的内容即是该指令的单元，读出的内容即是该指令的微程序入口地址。微程序入口地址。微程序入口地址。微程序入口地址。逻辑电路：逻辑电路：逻辑电路：逻辑电路：以指令的操作码作为输入变量，通过以指令的操作码作为输入变量，通过以指令的操作码作为输入变量，通过以指令的操作码作为输入变量，通过组合逻辑电路，产生的输出变量即为指令的微程组合逻辑电路，产生的输出变量即为指令的微程组合逻辑电路，产生的输出变量即为指令的微程组合逻辑电路，产生的输出变量即为指令的微程序入口地址。序入口地址。序入口地址。序入口地址。31第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器2、后继微地址的产生后继微地址的产生每条微指令执行完毕，都必须根据要求产生后继微指每条微指令执行完毕，都必须根据要求产生后继微指每条微指令执行完毕，都必须根据要求产生后继微指每条微指令执行完毕，都必须根据要求产生后继微指令地址。方法有两种：令地址。方法有两种：令地址。方法有两种：令地址。方法有两种：（1 1）计计数器方式数器方式数器方式数器方式：在微程序控制器单元中设置一个在微程序控制器单元中设置一个在微程序控制器单元中设置一个在微程序控制器单元中设置一个微程序计数器微程序计数器微程序计数器微程序计数器PCPC，用于保存用于保存用于保存用于保存后继微指令地址后继微指令地址后继微指令地址后继微指令地址。在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微在顺序执行微指令时，后继微指令地址由现行微地址地址地址地址1 1（即（即（即（即PC PC 1 1）来产生。）来产生。）来产生。）来产生。遇到转移时，由微指令给出转移地址，使微程序遇到转移时，由微指令给出转移地址，使微程序遇到转移时，由微指令给出转移地址，使微程序遇到转移时，由微指令给出转移地址，使微程序按新的微地址顺序执行。按新的微地址顺序执行。按新的微地址顺序执行。按新的微地址顺序执行。微指令格式：微指令格式：微指令格式：微指令格式：控制字段控制字段BAFBCF32第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（1）计数器方式数器方式BAFBAF：转移地址字段，：转移地址字段，：转移地址字段，：转移地址字段，用于给出用于给出用于给出用于给出微指令转移的部分微微指令转移的部分微微指令转移的部分微微指令转移的部分微地址地址地址地址。BAFBAF一般位数少，将它送到一般位数少，将它送到一般位数少，将它送到一般位数少，将它送到PCPC的若干低位或的若干低位或的若干低位或的若干低位或高位形成后继微地址。高位形成后继微地址。高位形成后继微地址。高位形成后继微地址。BCFBCF：转移控制字段，用来确定后继微地址是顺序执转移控制字段，用来确定后继微地址是顺序执转移控制字段，用来确定后继微地址是顺序执转移控制字段，用来确定后继微地址是顺序执行还是条件转移。行还是条件转移。行还是条件转移。行还是条件转移。当条件成立时，微程序转移，将当条件成立时，微程序转移，将当条件成立时，微程序转移，将当条件成立时，微程序转移，将BAFBAF送送送送PCPC；否则顺序执；否则顺序执；否则顺序执；否则顺序执行下一条微指令（行下一条微指令（行下一条微指令（行下一条微指令（PCPC1 1）。）。）。）。转移控制字段转移控制字段转移控制字段转移控制字段BCFBCF应当能够定义各种后继微地址来源。应当能够定义各种后继微地址来源。应当能够定义各种后继微地址来源。应当能够定义各种后继微地址来源。假设，在微程序中有顺序执行、无条件转移、条件转移、假设，在微程序中有顺序执行、无条件转移、条件转移、假设，在微程序中有顺序执行、无条件转移、条件转移、假设，在微程序中有顺序执行、无条件转移、条件转移、测试循环、转微子程序和微子程序返回测试循环、转微子程序和微子程序返回测试循环、转微子程序和微子程序返回测试循环、转微子程序和微子程序返回6 6种情况，再加上种情况，再加上种情况，再加上种情况，再加上指令散转至相应的微程序入口地址，则转移控制字段指令散转至相应的微程序入口地址，则转移控制字段指令散转至相应的微程序入口地址，则转移控制字段指令散转至相应的微程序入口地址，则转移控制字段BCFBCF用用用用3 3位编码位编码位编码位编码上述上述上述上述7 7种情况。种情况。种情况。种情况。优点优点是微指令是微指令字较短，便于字较短，便于编写微程序，编写微程序，后继微地址产后继微地址产生机构比较简生机构比较简单；单；缺点缺点是执行速是执行速度低，微程序度低，微程序在控制存储器在控制存储器中的物理分配中的物理分配不方便，需合不方便，需合理安派、调整理安派、调整 33第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器34第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器（2）判定方式（下址字段法）判定方式（下址字段法）微指令格式：微指令格式：微指令格式：微指令格式：控制字段控制字段控制字段控制字段判别测试字段判别测试字段判别测试字段判别测试字段下址字段下址字段下址字段下址字段微指令格式中微指令格式中必须设置一个下址字段必须设置一个下址字段，用来指明下一条，用来指明下一条要执行的微指令地址，所以也称为下址字段法。要执行的微指令地址，所以也称为下址字段法。当微程序不产生分支时，后继微指令地址直接由微指令当微程序不产生分支时，后继微指令地址直接由微指令的下址字段给出；的下址字段给出；当微程序出现分支时，按判别测试字段和状态条件通过当微程序出现分支时，按判别测试字段和状态条件通过逻辑电路来形成后继微地址。逻辑电路来形成后继微地址。由于由于每一条微指令至少都是一条无条件转移微指令每一条微指令至少都是一条无条件转移微指令，因，因此不必设置专门的转移微指令。此不必设置专门的转移微指令。优点优点是可以实现是可以实现快速多路分支，快速多路分支，以提高微程序的以提高微程序的执行速度，微程执行速度，微程序在控制存储器序在控制存储器的物理分配方便，的物理分配方便，微程序设计灵活；微程序设计灵活；缺点缺点是微指令字是微指令字长，形成后继微长，形成后继微地址的结构比较地址的结构比较复杂复杂35第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器36第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器3、模型机微地址的产生举例、模型机微地址的产生举例 模型机微程序控制器结构模型机微程序控制器结构模型机微程序入口地址的产生方法：逻模型机微程序入口地址的产生方法：逻辑电路辑电路模型机后继微地址的产生方法：下址字模型机后继微地址的产生方法：下址字段法段法模型机后继微地址转移控制部件模型机后继微地址转移控制部件合二为一合二为一37第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器举例：模举例：模举例：模举例：模型机微程型机微程型机微程型机微程序控制器序控制器序控制器序控制器结构结构结构结构38第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机微程序控制器结构模型机微程序控制器结构后继微地址的产生方法：后继微地址的产生方法：后继微地址的产生方法：后继微地址的产生方法：下址字段法下址字段法下址字段法下址字段法。控存中的控存中的控存中的控存中的2424位微码读出后，在位微码读出后，在位微码读出后，在位微码读出后，在T2T2节拍，节拍，节拍，节拍，高高高高1717位送微指位送微指位送微指位送微指令寄存器令寄存器令寄存器令寄存器IRIR保存并译码，保存并译码，保存并译码，保存并译码，低低低低7 7位（下址字段）则送控位（下址字段）则送控位（下址字段）则送控位（下址字段）则送控存地址寄存器存地址寄存器存地址寄存器存地址寄存器。在在在在T4T4节拍，由后继微地址转移控制部件发出节拍，由后继微地址转移控制部件发出节拍，由后继微地址转移控制部件发出节拍，由后继微地址转移控制部件发出微地址修微地址修微地址修微地址修改信号改信号改信号改信号SE6#SE6#SE0#SE0#，对控存地址寄存器中保存的下，对控存地址寄存器中保存的下，对控存地址寄存器中保存的下，对控存地址寄存器中保存的下址进行修改址进行修改址进行修改址进行修改(SEi#=0(SEi#=0，则，则，则，则1 1 MAi)MAi)，作为后继微地址，作为后继微地址，作为后继微地址，作为后继微地址后继微地址转移控制部件后继微地址转移控制部件后继微地址转移控制部件后继微地址转移控制部件根据判别测试字段根据判别测试字段根据判别测试字段根据判别测试字段FUNCFUNC发发发发出的转移控制信号出的转移控制信号出的转移控制信号出的转移控制信号J1J1J5J5，结合指令操作码，结合指令操作码，结合指令操作码，结合指令操作码OPOP及目前的运算结果状态及目前的运算结果状态及目前的运算结果状态及目前的运算结果状态FZFZ、FCFC，开关，开关，开关，开关K2K2、K1K1状态和状态和状态和状态和中断中断中断中断INTINT状态，来发送微地址修改信号状态，来发送微地址修改信号状态，来发送微地址修改信号状态，来发送微地址修改信号SE6SE6SE0SE0，以决定如何修改下址字段所提供的微地址以决定如何修改下址字段所提供的微地址以决定如何修改下址字段所提供的微地址以决定如何修改下址字段所提供的微地址，产生后继，产生后继，产生后继，产生后继微地址。微地址。微地址。微地址。39第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机后继模型机后继微地址转移微地址转移控制部件控制部件40第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机后继微地址转移控制逻辑模型机后继微地址转移控制逻辑(J1)J1#=0J1#=0时时时时，根根根根据据据据指指指指令令令令的的的的操操操操作作作作码码码码（OPOP）I7I7I4I4进进进进行行行行散散散散转转转转，产生该条指令的微程序入口地址。散转规则：产生该条指令的微程序入口地址。散转规则：产生该条指令的微程序入口地址。散转规则：产生该条指令的微程序入口地址。散转规则：当当当当I I7 7I I6 6=11=11时时时时(即即即即指指指指令令令令格格格格式式式式三三三三的的的的指指指指令令令令)，则则则则SE5#=0SE5#=0，即即即即1 1MAMA5 5，并且：并且：并且：并且：若若若若I I5 5=1=1，则则则则SE3#=0SE3#=0，即即即即1 1MAMA3 3；若若若若I I4 4=1=1，则则则则SE2#=0SE2#=0，即即即即1 1MAMA2 2；若若若若I I3 3=1=1，则则则则SE1#=0SE1#=0，即即即即1 1MAMA1 1；若若若若I I2 2=1=1，则则则则SE0#=0SE0#=0，即即即即1 1MAMA0 0；当当当当I I7 7I I6 6 1111时时时时(即指令格式一和格式二的指令即指令格式一和格式二的指令即指令格式一和格式二的指令即指令格式一和格式二的指令)，则：，则：，则：，则：若若若若I I7 7=1=1，则则则则SE3#=0SE3#=0，即即即即1 1MAMA3 3；若若若若I I6 6=1=1，则则则则SE2#=0SE2#=0，即即即即1 1MAMA2 2；若若若若I I5 5=1=1，则则则则SE1#=0SE1#=0，即即即即1 1MAMA1 1；若若若若I I4 4=1=1，则则则则SE0#=0SE0#=0，即即即即1 1MAMA0 0；41第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机后继微地址转移控制逻辑模型机后继微地址转移控制逻辑(J2#)当当当当J2#=0J2#=0时时时时，根根根根据据据据指指指指令令令令操操操操作作作作码码码码I3I2I3I2进进进进行行行行散散散散转转转转，转转转转移移移移至至至至相相相相应应应应指指指指令的微程序段。令的微程序段。令的微程序段。令的微程序段。主主主主要要要要应应应应用用用用于于于于格格格格式式式式二二二二的的的的机机机机器器器器指指指指令令令令，即即即即含含含含寻寻寻寻址址址址方方方方式式式式码码码码（MODMOD）的的的的格格格格式式式式。该该该该指指指指令令令令格格格格式式式式中中中中，I7I6I7I6为为为为第第第第一一一一操操操操作作作作码码码码，通通通通常常常常是是是是指指指指令令令令格格格格式式式式二二二二的的的的特特特特征征征征码码码码，I5I4I5I4为为为为寻寻寻寻址址址址方方方方式式式式码码码码（MODMOD），I3I2I3I2为为为为指指指指令令令令的的的的第第第第二二二二操操操操作作作作码码码码，用用用用于于于于区区区区分分分分格式二的四条指令。格式二的四条指令。格式二的四条指令。格式二的四条指令。在在在在这这这这些些些些指指指指令令令令的的的的微微微微程程程程序序序序实实实实现现现现中中中中，通通通通常常常常首首首首先先先先根根根根据据据据I7I7I4I4进进进进行行行行J1J1散散散散转转转转，转转转转移移移移至至至至相相相相应应应应的的的的寻寻寻寻址址址址方方方方式式式式微微微微程程程程序序序序段段段段（主主主主要要要要功功功功能能能能是是是是计计计计算算算算有有有有效效效效地地地地址址址址EAEA）；然然然然后后后后进进进进行行行行第第第第二二二二次次次次的的的的J2J2散散散散转转转转，转转转转移移移移至至至至不不不不同同同同的的的的机机机机器器器器指指指指令令令令的的的的微微微微程程程程序序序序段段段段（实现指令的功能）。（实现指令的功能）。（实现指令的功能）。（实现指令的功能）。散转规则：散转规则：散转规则：散转规则：I I3 3=1=1时，则时，则时，则时，则SE1#=0SE1#=0，即即即即1 1MAMA1 1；I I2 2=1=1时，则时，则时，则时，则SE0#=0SE0#=0，即即即即1 1MAMA0 0；42第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机微地址转移控制逻辑模型机微地址转移控制逻辑模型机微地址转移控制逻辑模型机微地址转移控制逻辑(J3#(J3#、J4#J4#、J5#)J5#)J3#=0J3#=0时时时时，根根根根据据据据开开开开关关关关K2K2、K1K1状状状状态态态态进进进进行行行行转转转转移移移移；主主主主要要要要应应应应用于控制台操作指令。散转规则：用于控制台操作指令。散转规则：用于控制台操作指令。散转规则：用于控制台操作指令。散转规则：KB=0KB=0时，则时，则时，则时，则SE1#=0SE1#=0，即即即即1 1MAMA1 1；KA=0KA=0时，则时，则时，则时，则SE0#=0SE0#=0，即即即即1 1MAMA0 0；J4#=0J4#=0时时时时，根根根根据据据据条条条条件件件件FCFC或或或或FZFZ进进进进行行行行转转转转移移移移；主主主主要要要要应应应应用用用用于于于于条件转移指令条件转移指令条件转移指令条件转移指令JZCJZC或或或或JZJZ或或或或JCJC。散转规则：。散转规则：。散转规则：。散转规则：FC=1FC=1时，则时，则时，则时，则SE1#=0SE1#=0，即即即即1 1MAMA1 1；FZ=1FZ=1时，则时，则时，则时，则SE0#=0SE0#=0，即即即即1 1MAMA0 0；J5#=0J5#=0时时时时，根根根根据据据据中中中中断断断断请请请请求求求求信信信信号号号号INTINT是是是是否否否否有有有有效效效效，确确确确定定定定转转转转移。散转规则：移。散转规则：移。散转规则：移。散转规则：INT=1INT=1时，则时，则时，则时，则SE5#=0SE5#=0，即即即即1 1MAMA5 5；43第第第第7 7章章章章 控制器控制器控制器控制器模型机微地址转移控制逻辑举例模型机微地址转移控制逻辑举例以以以以第第第第六六六六章章章章所所所所介介介介绍绍绍绍的的的的模模模模型型型型机机机机指指指指令令令令系系系系统统统统（P185P185）为为为为例例例例，写写写写出出出出所所所所有有有有机机机机器器器器指指指指令令令令的的的的J1J1散散散散转转转转的的的的微微微微程程程程序序序序入入入入口口口口地地地地址址址址。假假假假设设设设取取取取指指指指令令令令微微微微程程程程序序序序中中中中进进进进行行行行J1J1散散散散转转转转的的的的微微微微指指指指令令令令的的的的下下下下址址址址字字字字段段段段为为为为1010HH0010000B0010000B。指令指令指令指令操作码操作码操作码操作码微程序入微程序入微程序入微程序入口地址口地址口地址口地址指令指令指令指令操作码操作码操作码操作码微程序入微程序入微程序入微程序入口地址口地址口地址口地址MOVMOV0000000010H10H直接寻址直接寻址直接寻址直接寻址1000100018H18HADDADD0001000111H11H间接间接间接间接1001100119H19HSUBSUB0010001012H12H变址变址变址变址101010101AH1AHANDAND0011001113H13H相对相对