3CPU-4微程序控制器

1、3.6 3.6 微程序控制器原理微程序控制器原理3.6.1 微程序控制的基本思想微程序控制的基本思想1. 若干微命令编制成一条微指令，控制实现若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；一步操作；2. 若干微指令组成一段微程序，解释执行一若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；条机器指令；3. 微程序事先存放在控制存储器中，执行机微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。器指令时再取出。1. 若干微命令编制成若干微命令编制成一条微指令一条微指令，控制实现，控制实现一步操作一步操作；2. 若干微指令组成若干微指令组成一段微程序一段微程序，解释执行，解释执行一一条机器指令条机器

2、指令； 组成原理组成原理1.1.主要部件主要部件（1 1）控制存储器）控制存储器CMCM功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放微程序存放微程序。CMCM属于属于CPUCPU，不属于主存储器。，不属于主存储器。（2 2）微指令寄存器）微指令寄存器 IR功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址

3、字段IR存放现行微指令存放现行微指令。微命令字段：微命令字段：提供一步操作所需的微命令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段：微地址字段：指明后续微地址的形成方式。指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。提供微地址的给定部分。( (微操作控制字段微操作控制字段) )( (顺序控制字段顺序控制字段) )（3 3）微地址形成电路）微地址形成电路功能：功能： 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR提供两类微地址提供两类微地址。微程序入口地址：微程序入

4、口地址：由机器指令由机器指令操作码操作码形成。形成。后续微地址：后续微地址：由由微地址字段微地址字段、现行微地现行微地址址、运行状态运行状态等形成。等形成。2.2.工作过程工作过程（1 1）取机器指令）取机器指令CMCM取指取指微指令微指令IRIR微命令字段微命令字段译码器译码器微命令微命令主存主存机器指令机器指令IRIR 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址

5、字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列（2 2）转微程序入口）转微程序入口IRIR操作码操作码微地址形微地址形成电路成电路入口入口ARAR微命令字段微命令字段CMCM首条微指令首条微指令（3 3）执行首条微指令）执行首条微指令IRIRIRIR译码器译码器 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取

6、指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 IR控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列 微地址微地址形成电路形成电路 IR微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路控制存储器控制存储器微地址寄存器微地址寄存器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段微命令微命令操作部件操作部件（4 4）取后续微指令）取后续微指令微地址字段微地址字段现行微地址现行微地址运行状态运行状态微地址形微地址形成电路成电路后续微地址后续微地址ARAR

7、CMCM后续微指令后续微指令IRIR 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器（5 5）执行后续微指令）执行后续微指令同（同（3 3） 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址

8、寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器微地址寄存器 微地址微地址形成电路形成电路微地址寄存器微地址寄存器（6 6）返回）返回微程序执行完，返回微程序执行完，返回CMCM ( (存放存放取指微指令取指微指令的的固定单元固定单元) )。3.6.2 微指令格式和编码方法微指令格式和编码方法1.1.格式分类格式分类（1 1）垂直型微指令）

9、垂直型微指令优点：优点：一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。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，便于编写微微指令短、简单、规整，便于编写微程序。程序。缺点：缺点：微程序长，执行速度慢；工作效率低。微程序长，执行速度慢；工作效率低。（2 2）水平型微指令）水平型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作。一条微指令定义并执行一种基本操作。优点：优点：缺点：缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。微指令长，编写微程序较麻烦。微程序短，执行速度快。微程序短，执行速度快。（3 3）混合型微指令）混合型微指令微指令不长，便于编写；微程序不长，执行微指令不长，便于编写；微程序不长，执行

10、速度加快。速度加快。在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。操作。例例. .长城长城203203微指令微指令 AI BI ZO AOP MOP KK ST AI BI ZO AOP MOP KK ST 3 3 3 3 4 4 4运算器运算器输入控输入控制制运算器运算器输出控输出控制制操作操作类型类型控制控制访访M M、I/OI/O控制控制常数常数辅助辅助操作操作2.2.编码方法编码方法（1 1）直接控制法）直接控制法例例. . 某微指令某微指令微命令按位给出。微命令按位给出。不需译码，产生微命令的速度快；不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。

11、信息的表示效率低。 C C0 0 R W R W1 1 11 1 1C C0=0=0 0 进位初值为进位初值为0 01 1 进位初值为进位初值为1 1R R= =0 0 不读不读1 1 读读0 0 不写不写1 1 写写W W= =微指令中通常只有个别位采用直接控制法。微指令中通常只有个别位采用直接控制法。（2 2）分段直接编译法）分段直接编译法例例. .对加法器输入端进行控制。对加法器输入端进行控制。微命令由字段编码直接给出。微命令由字段编码直接给出。000 000 不发命令不发命令微指令中设置微指令中设置AIAI字段，控制字段，控制加法器的输入选择。加法器的输入选择。 加法器加法器 A BR

12、、CD、ER、CD、FAIAI3010 C A010 C A100 F B100 F B001 R A001 R A010 C A010 C A011 D B011 D B011 D B011 D B？微命令分组原则：微命令分组原则：同类操作中同类操作中互斥互斥的的微命令放同一字段。微命令放同一字段。不能同时出现不能同时出现CD操作唯一；操作唯一；加法器加法器A A输入端的控制命令放输入端的控制命令放AIAI字段，字段，B B输入端的控制命令输入端的控制命令放放BIBI字段。字段。 加法器加法器 A BR、CD、ER、CD、F000 000 不发命令不发命令010 C A010 C A100

13、E A100 E A001 R A001 R A011 D A011 D ACDAI BIAI BI3 3010 C A010 C A000 000 不发命令不发命令010 C B010 C B100 F B100 F B001 R B001 R B011 D B011 D B011 D B011 D BAIAI：BIBI： 一条微指令能同时一条微指令能同时提供若干微命令，便于组织各种操作。提供若干微命令，便于组织各种操作。 编码较简单；编码较简单；（3 3）分段间接编译法）分段间接编译法例例. . 微命令由本字段编码和其他字段解释共同给微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。出。C C =

14、 C A C A 1) 1) 设置解释位或解释字段设置解释位或解释字段解释位解释位1 1 A A为某类命令为某类命令0 0 A A为常数为常数2) 2) 分类编译分类编译按功能类型将微指令分类，分别安排各类微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。指令格式和字段编码，并设置区分标志。（4 4）其他编码方法）其他编码方法1) 1) 微指令译码与机器指令译码复合控制微指令译码与机器指令译码复合控制例例. .机器指令机器指令 寄存器号寄存器号 寄存器传寄存器传A微指令微指令译码器译码器译码器译码器001001R AR A R1 A A门门例例. . 2) 2) 微地

15、址参与解释微地址参与解释004004微地址微地址指令操作码指令操作码 (1)(1)微程序入口地址的形成微程序入口地址的形成 微指令微指令 取指标志取指标志 变址标志变址标志 0110113. 微地址形成方式微地址形成方式微程序入口微程序入口 功能转移功能转移 一级功能转移一级功能转移各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。 入口地址入口地址= =页号，操作码页号，操作码 例例. . 机器指令机器指令1 0F(8 0F(8位位) ) 入口地址入口地址= =00000FH 0FH CM机器指令机器指令2 10(8 10(8位位) ) 入口地址入口地址= =0

16、00010H 10H 000F000F00100010无条件转无条件转 微地址微地址1 1微地址微地址1 1微程序微程序1 1无条件转无条件转 微地址微地址2 2微地址微地址2 2微程序微程序2 2 功能转移功能转移 功能转移功能转移0 0页页 二级功能转移二级功能转移各类指令操作码的位置、位数不固定，各类指令操作码的位置、位数不固定， 分类转：分类转： 需两需两次转换。次转换。 指令类型标志指令类型标志 区分指令类型区分指令类型 功能转：功能转： 指令操作码指令操作码 区分操作类型区分操作类型 用可编程逻辑阵列用可编程逻辑阵列PLAPLA实现功能转移实现功能转移入口地址入口地址 1 1 PL

17、APLA IR IR入口地址入口地址 2 2 2.2.后续微地址的形成后续微地址的形成 （1 1）增量方式）增量方式以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式。以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式。 顺序：顺序：现行微地址现行微地址+1+1。 跳步：跳步：现行微地址现行微地址+2+2。 无条件转移：无条件转移：现行微指令现行微指令给出转移微地址。给出转移微地址。 CMAA+1A+2BB条件转移：条件转移：现行微指令给现行微指令给出转移微地址和转移条件。出转移微地址和转移条件。 B 转移条件转移条件 CC( (条件满足条件满足) )( (条件不满足条件不满足) )转微子程序：转微子程序：现行微指令现行

18、微指令给出微子程序入口。给出微子程序入口。 转移条件转移条件 C DD微子程序微子程序返回微主程序：返回微主程序：现行微指现行微指令给出寄存器号。令给出寄存器号。 A+1RR微指令微指令 给定后续微地址给定后续微地址高位部分高位部分 （2 2）断定方式）断定方式由直接给定和测试断定相结合形成微地址。由直接给定和测试断定相结合形成微地址。 给定部分给定部分 断定条件断定条件指明后续微地址低指明后续微地址低位部分的形成方式位部分的形成方式 例例. .微指令微指令 D D（给定）（给定） A A（条件）（条件）2位位位数可变位数可变微地址微地址1010位，位， 约定：约定：A=A=01011010微

19、地址低微地址低4 4位为操作码，位为操作码，D D给定高给定高 位；位；微地址低微地址低3 3位为机器指令目的寻址方式位为机器指令目的寻址方式微地址低微地址低3 3位为机器指令源寻址方式位为机器指令源寻址方式6 67 71111编码，编码，D D给定高给定高 位；位；编码，编码，D D给定高给定高 位。位。7 716路路分支分支8路分支路分支8路分支路分支3.6.3 3.6.3 微指令格式微指令格式按数据通路各段操作划分字段，同类操作中互斥按数据通路各段操作划分字段，同类操作中互斥的微命令放同一字段。的微命令放同一字段。 （1）格式）格式数据通路操作数据通路操作 辅助操作辅助操作 AI BI

20、SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4顺序控制顺序控制 访存操作访存操作 （2）各字段功能）各字段功能1）数据通路操作）数据通路操作AIAI： A输入选择输入选择 000 无输入无输入 001 Ri ARi A010 C AC A011 D AD A100 PC APC AR0R0R3R3、SPSP、PC PC 加法器加法器 A BR、CD、PCR、CD、F AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W

21、 ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4BIBI： B输入选择输入选择 000 无输入无输入 001 Ri BRi B010 C BC B011 D BD B100 MDR BMDR BSMSM： ALUALU功能选择功能选择 S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0M M C C0 0： 初始进位选择初始进位选择S S： 移位选择移位选择ZOZO： 结果分配结果分配001 CPRi CPRi R0R0R3R3、PSW PSW R0R0R3R3、SPSP、PCPC、PSW PSW 2）访存操作）访存操作EMAREMAR、R R、W W 3）辅助操作）辅助操作00 无操作

22、无操作 01 开中断开中断 10 关中断关中断 11 SIR SIR 加法器加法器 A BR、CD、PCR、CD、MDR AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 44）顺序控制）顺序控制增量增量断定断定 0000 顺序执行顺序执行 9种种 指明微地址形成方式指明微地址形成方式 SCSC： 0001 无条件转移无条件转移 0010 按操作码分支按操作码分支 0111 转微子程序转微子程序 1000 返回微主程序返回微主程序 增量增量 断定断定 增量增量 同步控制，用统

23、一微指令周期控制各条微指令执行。同步控制，用统一微指令周期控制各条微指令执行。 P P 3.6.43.6.4 微程序控制器设计微程序控制器设计微指令周期微指令周期 微指令微指令打入打入 IR二级时序：二级时序：控制数控制数据通路据通路操作操作 结果打结果打入目的入目的地，地，读取后续读取后续微指令微指令后续微后续微地址打地址打入入 AR时钟周期时钟周期 1.1.时序系统时序系统2.2.微程序的编制微程序的编制（1）编写顺序）编写顺序按指令执行顺序编写：按指令执行顺序编写：取机器指令取机器指令 SC=0000SC=0000功能转移功能转移 执行执行 按操作码编码顺序，逐级分类编写：按操作码编码顺

24、序，逐级分类编写：MOVMOV指令、指令、 双操作数指令、双操作数指令、 单操作数指令、单操作数指令、 转移指令转移指令 （2）实现分支）实现分支将同类断定依据所对应的微地址放在相应的将同类断定依据所对应的微地址放在相应的微地址微地址形成表形成表中，用中，用SCSC字段选取。（见教材字段选取。（见教材P146P146P147P147） 顺序执行顺序执行现行微地址现行微地址+1+1SC=0001SC=0001 无条件转无条件转现行微指令给出转移微地址现行微指令给出转移微地址SC=0111SC=0111 转微子程序转微子程序 现行微指令给出微子程序现行微指令给出微子程序入口入口SC=1000SC=

25、1000 返回微主程序返回微主程序 从寄存器取返回微地址从寄存器取返回微地址微地址形成表：微地址形成表：SC=0010SC=0010按操作码分支（按操作码分支（4 4路）路）表内单元地址表内单元地址SC=0011SC=0011（断定依据）（断定依据）：MOVMOV执行规定操作执行规定操作后转取指入口后转取指入口双双单元内容单元内容 （微地址）（微地址）单单JMP/JSRJMP/JSR03H03H 取源数、目的地取源数、目的地0CH0CH 取源数、目的数取源数、目的数24H24H 取目的数取目的数按按J J、PCPC分支分支3FH3FH按操作码按操作码 DRDR分支（分支（2424路）进入执行路

26、）进入执行DRDRMOVMOV06H06HDRDRMOVMOV0AH0AH双双单单3DH3DHSC=0100SC=0100SC=0110SC=01101 1）取指微指令）取指微指令从从60H60H开始开始按按J J、PCPC分支（分支（4 4路）路）40H40H46H46H 顺序顺序/ /转移地址转移地址 PC PC SC=0101SC=0101 按源寻址方式分支（按源寻址方式分支（7 7路）路）4DH4DH5EH5EH按目的寻址方式分支按目的寻址方式分支（3）微指令实例）微指令实例 AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR

27、R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 4M IRM IR：微地址微地址00000 000 000 000 00000 00000 00 00 000 1 1 0 11 000000 00 000 1 1 0 11 0000 AI BI SM C AI BI SM C0 0 S ZO EMAR R W ST SC S ZO EMAR R W ST SC 3 3 5 2 2 3 1 1 1 2 400 00 微地址微地址01100 000100 00010010 10010 01 00 111 0 0 0 00 000001 00 111 0 0 0 00 0000PC+1

28、PCPC+1 PC：按操作码分支：按操作码分支：微地址微地址02000 000000 00000000 00000 00 00 000 0 0 0 00 00 00 000 0 0 0 00 001000102 2）机器指令的微程序实现）机器指令的微程序实现例：例：MOV R1MOV R1，（，（R0R0）；按流程写出微地址）；按流程写出微地址01 01 02 02 03 03 4C 4C 4E 4E 4F 4F 04 04 60 60 05 05 0A 0A 0B 0B 08 08 09 09 00 00 3.6.5 微程序控制方式优缺点及应用微程序控制方式优缺点及应用1.1.优点优点 （1

29、 1）设计规整，设计效率高；）设计规整，设计效率高；（2 2）易于修改、扩展指令系统功能；）易于修改、扩展指令系统功能；（3 3）结构规整、简洁，可靠性高；）结构规整、简洁，可靠性高；（4 4）性价比高。）性价比高。2.2.缺点缺点 （1 1）速度慢）速度慢访存频繁访存频繁转移较多转移较多（2 2）执行效率不高）执行效率不高3.3.应用范围应用范围 用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。特别适用于系列机特别适用于系列机未充分发挥数据未充分发挥数据通路本身具有的通路本身具有的并行能力并行能力举例：举例： 1.某机采用微程序控制方式，已知全机有某机采用微程序控制方式，已知全机有50个微个微命令，控制存储器共命令，控制存储器共256个字，条件测试字段占个字，条件测试字段占3位。位。（1）若采用直接控制的水平型微指令，请设计）若采用直接控制的水平型微指令，请设计微指令的具体格式。微指令的具体格式。 （2）若采用编码控制的水平型微指令，）若采用编码控制的水平型微指令，50个微个微命令构成命令构成4个互斥类，分别包含个互斥类，分别包含4个、