DJ14 第3章(9)-CPU模型3_微程序设计

3.6微程序控制方式,3.6.1微程序控制的基本原理,从物理的观点：,微操作信号,各种电信号,即在规定时间产生的电平和脉冲,组合逻辑设计：,按数字逻辑的方法产生所需要的电信号,编码的观点：,将不同周期或节拍的微操作进行编码,使不同微操作对应一个编码值,并存入存储器(ROM)。需要时,读出编码并译码,同样可产生电信号。,1、基本思想,例:ADDR1,R2,假设对应两个周期:,FIT(取指),对应编码,EXEC(执行),对应编码,将编码存入存储器:,例:ADDR1,R2,形成地址1000H,微地址译码器,地址形成电路,指令寄存器,存储器(ROM),按微程序方式构成的CPU的特点,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,微程序控制器设计的基本步骤:(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。,2、逻辑组成,(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。,(2)微指令寄存器IR,功能：,存放现行微指令。,微命令字段:,提供某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:,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。,(4)微地址寄存器AR,3、工作过程,(1)取机器指令,CM,取指微指令,IR,微命令字段,译码器,微命令,主存,机器指令,IR,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,(3)执行首条微指令,IR,IR,译码器,微命令,操作部件,IR,微地址寄存器,译码器,微命令序列,(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,AR,CM,后续微指令,IR,PSW,微地址寄存器,(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)。,微命令字段,IR,译码器,微命令,操作部件,微程序执行过程:,(1)取机器指令IR,(2)转微程序入口取首条微指令到uIR,(3)执行首条微指令,(4)取后续微指令到uIR,(5)执行后续微指令,微程序执行完,返回CM,上述过程的原理框图:,CPU,总线接口,IR,时序线路,PSW,微地址形成电路,AR,微命令译码器,到运算器/寄存器/存储器部件等,即:,一条机器指令用若干条微指令来解释执行,一条机器指令,以编码的形式存放在CPU内的微程序库中,执行时,读出微指令并通过译码形成电信号形式的微命令,其原理类似于:,一条高级语言指令,编译程序,存放在主存中,3.6.2微指令的编码方式与微地址形成,微指令的一般格式:,一条微指令包含多少微命令字段?,微命令字段如何编码?,如何指明后继微指令的地址?,1.微指令的编码方式,(1)直接控制法(不译法),微命令按位给出,为1,选用,表示一种微命令,为0,不选用,不表示微命令,不译码,直接作为微操作信号,垂直方向,一条线只表示一种微操作,例.某微指令,优点:,C0=,0进位初值为01进位初值为1,R=,0不发读命令1发读命令,0不发写命令1发写命令,W=,微指令中通常只有个别位采用直接控制法。,不需译码,产生微命令的速度快;,信息的表示效率低。,缺点:,如果一条微指令命令字段有n位,则只能表示n种微操作。,(2)最小编码法,对微指令命令字段的所有位(假设n位)进行编码,可产生2n种微操作。,优点:,微指令字长最短,缺点:,译码级数较多,需要较多的硬件支持,译码器一次只能输出一个微操作信号,所有微操作都只能串行工作,速度很低。,实际应用中很少采用。,(3)分段直接编译法,一条微指令分为多个微命令字段,每一个字段的不同编码表示不同的微命令,即微命令由字段编码直接给出。,.,假设各字段长度分别为:k1、k2、.、km,可表示的微操作数量为:,2k1+2k2+.+2km,优点:,微指令长度比直接控制法短,译码器级数比最短编码法少,各字段所表示的微操作可以并行,微命令分组原则:,(1)相容性原则,把可以在同一时刻或同一机器周期内发出的微命令分在不同的组,以便并行操作。,即,同时执行时不会发生冲突,例:有三个可以在同一时刻发出的微操作命令1、2、3分在不同字段内,则有:,微命令1,微命令2,微命令3,如果将1、2、3分在同一字段内,则:,(并行产生1、2、3),(串行产生1、2、3),互斥性原则：,(2)互斥性原则,不能同时出现的操作,属于串行操作,互斥:,同类操作中互斥的微命令放同一字段。,如:,不能同时出现;,“RiRK”,和,可编在同一个字段内。,“RjRK”,“内存读”和“内存写”不能同时出现;,可编在同一个字段内。,例.对加法器输入端进行控制。,微指令中设置AI字段,控制加法器的输入选择。,000不发命令,不符合相容性原则,“CA”与“DB”可以同时操作,但被分在了同一字段,加法器A输入端的控制命令存放AI字段,B输入端的控制命令存放BI字段。,C,D,分段直接编译法特点:,编码较简单;一条微指令能同时提供若干微命令,便于并行操作,(4)分段间接编译法,例.,微命令由本字段编码和其它字段解释共同给出。,设置解释位或解释字段,解释位,1A为某类命令,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进行编码,并设置区分标志。,0A为常数,微指令,CPU方式(触发器C=0或某字段=0),I/O方式(触发器C=1或某字段=1),例.,解释位或触发器,1A为CPU操作类命令