计算机原理 4-2微程序控制器(精品)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 微程序控制器原理,4.2.1 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中，执行机,器指令时再取出。,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,；,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。,4.2.2 组成原理,1.,主要部件,（1）控制存储器,CM,功能：,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,存放微程序,。,CM,属于,CPU,，,不属于主存储器。,（2）微指令寄存器,IR,功能：,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,存放现行微指令,。,微命令字段：,提供一步操作所需的微命令。,微地址字段：,指明后续微地址的形成方式。,提供微地址的给定部分。,(微操作控制字段),(,顺序控制字段),（3）微地址形成电路,功能：,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,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,址,、,运行状态,等形成。,2.工作过程,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,取指微指令,（1）取机器指令,CM,取指,微指令,IR,控制存储器,取指微指令,微命令字段 微地址字段,译码器,微命令序列,IR,微命令字段,译码器,控制存储器,微命令,主存,机器指令,微命令字段 微地址字段,IR,译码器,微命令序列,（2）转微程序入口,IR,操作码,微地址形成电路,入口,AR,微命令字段,CM,首条微指令,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,取指微指令,控制存储器,取指微指令,微命令字段 微地址字段,译码器,微命令序列,IR,控制存储器,微命令字段 微地址字段,译码器,微命令序列,微地址,形成电路,IR,微地址寄存器,微地址,形成电路,控制存储器,微地址寄存器,微命令字段 微地址字段,（3）执行首条微指令,控制存储器,译码器,IR,IR,译码器,微命令字段 微地址字段,微命令序列,微命令,操作部件,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,（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,微命令字段 微地址字段,PSW,微地址寄存器,微地址,形成电路,微命令字段 微地址字段,PSW,微地址寄存器,微地址寄存器,后续微地址,AR,微地址,形成电路,控制存储器,CM,后续微指令,IR,微地址寄存器,微命令字段 微地址字段,（5）执行后续微指令,同（3）,微地址,形成电路,IR,PSW,PC,微地址寄存器,AR,控制存储器,CM,译码器,微命令序列,微命令字段 微地址字段,IR,微命令字段 微地址字段,PSW,微地址寄存器,微地址,形成电路,微命令字段 微地址字段,PSW,微地址寄存器,微地址寄存器,微地址,形成电路,微地址寄存器,微命令字段 微地址字段,（6）返回,微程序执行完，返回,CM,(,存放,取指微指令,的固定单元)。,4.2.3 微指令格式和编码方法,1.,格式分类,（1）垂直型微指令,优点：,一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。,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一种基本操作。,优点：,缺点：,微指令长，编写微程序较麻烦。,微程序短，执行速度快。,（3）混合型微指令,微指令不长，便于编写；微程序不长，执行,速度加快。,在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行,操作。,例.长城203微指令,AI BI ZO AOP MOP KK ST,3 3 3 3 4 4 4,运算器输入控制,运算器输出控制,操作类型控制,访,M,、,I/O,控制,常数,辅助操作,2.编码方法,（1）直接控制法,例. 某微指令,微命令按位给出。,不需译码，产生微命令的速度快；,信息的表示效率低。,C,0,R W,1 1 1,C,0=,0 进位初值为0,1 进位初值为1,R,=,0 不读,1 读,0 不写,1 写,W,=,微指令中通常只有个别位采用直接控制法。,（2）分段直接编译法,例.对加法器输入端进行控制。,微命令由字段编码直接给出。,000 不发命令,微指令中设置,AI,字段，控制,加法器的输入选择。,加法器,A,B,R、C,D、E,R、C,D、F,AI,3,010,C A,100,F B,001,R A,010,C A,011,D B,011,D B,？,微命令分组原则：,同类操作中,互斥,的,微命令放同一字段。,不能同时出现,C,D,操作唯一；,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,放,BI,字段。,加法器,A,B,R、C,D、E,R、C,D、F,000 不发命令,010,C A,100,E A,001,R A,011,D A,C,D,AI BI,3 3,010,C A,000 不发命令,010,C B,100,F B,001,R B,011,D B,011,D B,AI：,BI：,一条微指令能同时,提供若干微命令，便于组织各种操作。,编码较简单；,（3）分段间接编译法,例.,微命令由本字段编码和其他字段解释共同给,出。,C,=,C A,1) 设置解释位或解释字段,解释位,1,A,为某类命令,0,A,为常数,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。,（4）其他编码方法,微指令,CPU,方式,(,触发器,C=0),I/O,方式,(触发器,C=1),1) 微指令译码与机器指令译码复合控制,全加器运算方式控制,C = 0,QC,15 16 17,C = 1,QC,JCC,15 16 17,通道专用,例.,机器指令,寄存器号,寄存器传,A,微指令,译码器,译码器,001,R A,R1,A,门,例.,2) 微地址参与解释,004,微地址,指令操作码,1.微程序入口地址的形成,微指令,取指标志,变址标志,011,4.2.4 微地址形成方式,微程序入口,功能转移,（1）一级功能转移,各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。,入口地址=页号，操作码,例.,机器指令1,0,F(8,位),入口地址=,00,0,FH,CM,机器指令2,10,(8,位),入口地址=,00,10,H,000,F,0010,无条件转 微地址1,微地址1,微程序1,无条件转 微地址2,微地址2,微程序2,功能转移,功能转移,0页,（2）二级功能转移,各类指令操作码的位置、位数不固定，,分类转：,需两,次转换。,指令类型标志,区分指令类型,功能转：,指令操作码,区分操作类型,例.某指令系统：,双操作数指令的操作码占,4,位，其中,高两位为,00,，即,双,操作数指令类型标志；,单操作数指令的操作码占,6,位，其中,高两位为,01,，即,单,操作数指令类型标志。,加法指令,00,01(4,位),CM,减法指令,00,10,(4,位),无条件转 100000,100000,0001,无条件转 1000,功能转移,功能转移,求补指令,01,1100,(6,位),(1,K),分类转移,给定入口高6位,100000,0010,无条件转 加法地址,无条件转 减法地址,分类转移,给定入口高4位,1000,011100,无条件转 求补地址,加法地址,加法微程序,（3）用可编程逻辑阵列,PLA,实现功能转移,入口地址 1,PLA,IR,入口地址 2,2.后续微地址的形成,（1）增量方式,以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式。,顺序：,现行微地址+1。,跳步：,现行微地址+2。,无条件转移：,现行微指令,给出转移微地址。,CM,A,A+1,A+2,B,B,条件转移：,现行微指令给,出转移微地址和转移条件。,B,转移条件,C,C,(条件满足),(条件不满足),转微子程序：,现行微指令,给出微子程序入口。,转移条件,C,D,D,微子程序,返回微主程序：,现行微指,令给出寄存器号。,A+1,R,R,微指令,给定后续微地址,高位部分,（2）断定方式,由直接给定和测试断定相结合形成微地址。,给定部分 断定条件,指明后续微地址低,位部分的形成方式,例,1.,微指令,D（,给定）,A（,条件）,2位,位数可变,微地址10位，,约定：,A=,01,10,微地址低,4,位为操作码，,D,给定高 位；,微地址低,3,位为机器指令目的寻址方式,微地址低,3,位为机器指令源寻址方式,6,7,11,编码，,D,给定高 位；,编码，,D,给定高 位。,7,16路分支,8,路分支,8,路分支,例2.,微指令,设微地址10位，4个状态触发器,T1T4，,微程序可按它们的状态转移。,给定,D A B,后续微地址,00001010,D(8,位),A(2,位),B(2,位),条件,A,低位地址,00,0,01,1,10,T1,11,T2,B,最低位地址,00,0,01,1,10,T3,11,T4,00,01,00001010,01,01,10,T3,0,1,00001010,10,00001010,11,10,11,T1,T4,00,01,10,11,00001010,00,00001010,01,00001010,10,00001010,11,同步控制，用统一微指令周期控制各条微指,令执行。,P,4.2.5 微程序时序安排,微指令周期,微指令,打入,IR,二级时序：,控制数,据通路,操作,结果打,入目的,地，,读取后续,微指令,后续微,地址打,入,AR,时钟周期,4.2.6 微程序控制方式优缺点及应用,1.优点,（1）设计规整，设计效率高；,（2）易于修改、扩展指令系统功能；,（3）结构规整、简洁，可靠性高；,（4）性价比高。,2.缺点,（1）速度慢,访存频繁,转移较多,（2）执行效率不高,3.应用范围,用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。,特别适用于系列机,未充分发挥数据,通路本身具有的,并行能力,