微程序控制器的基本原理

1、微程序控制器的基本原理1、控制存儲器：控制存儲器是微程序控制器中的核心部件，通常由只讀存儲器ROM器件實現(xiàn)，簡稱控存。2、微指令：控制存儲器中的一個存儲單元（字）表示了某一條指令的某一操作步驟的控制信號，以及下一步驟的有關(guān)信息，稱該字為微指令。作用：準(zhǔn)確提供了指令執(zhí)行中的每一步要用的操作信號及下一微指令的地址。3、微程序：全部微指令的集合稱為微程序。4、微程序控制器的基本工作原理：根據(jù)IR（指令寄存器）中的操作碼，找到與之對應(yīng)的控存中的一段微程序的入口地址，并按指令功能所確定的次序，逐條從控制存儲器中讀出微指令，以驅(qū)動計算機各部件正確運行。5、得到下一條微指令的地址的有關(guān)技術(shù)：要保證微指令的逐

2、條執(zhí)行，就必須在本條微指令的執(zhí)行過程中，能得到下一條微指令的地址。形成下條微指令地址（簡稱下地址）可能有下列五種情況：下地址為本條微指令地址加1;微程序必轉(zhuǎn)某一微地址，可在微指令中給出該微地址值；根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位，選擇順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)向某一地址；微子程序的調(diào)用及返回控制，要用到微堆棧；根據(jù)條件判斷轉(zhuǎn)向多條微指令地址中的某一地址，比更復(fù)雜的情況。如：若C=1,轉(zhuǎn)移到A1微地址；若S=1,轉(zhuǎn)移到A2微地址；若Z=1,轉(zhuǎn)移到B1微地址；這種情況，在微指令中直接給出多個下地址是不現(xiàn)實的，應(yīng)找出更合理的解決方案。微指令的格式和內(nèi)容：下地址字段控制命令字段補充：微指令編碼的方法(1)直接表示法(水平型微指令)：

3、操作控制字段中的每一位帶代表一個微操作控制信號。如教學(xué)實驗計算機的微指令56位(2)編碼表示法(垂直型微指令)：把一組相斥性的微命令信號組成一個小組，通過小組字段譯碼器對每一個微命令信號進行譯碼。(3)混合表示法：將直接表示法與編碼表示法相混合使用。教學(xué)計算機微指令格式B55B48，下地址B47B40B39B32-1備用CI3CIOseeSCSSTB31B24B23B16Miq18MREQ1513we1210A口B15B8B7-B0B口SCiSSHSA|DC1SBiDC2下地址字段的內(nèi)容得到下地址的方法由指令操作碼得到微指令順序執(zhí)行微指令必轉(zhuǎn)或條件轉(zhuǎn)移多路微地址轉(zhuǎn)移微子程序調(diào)用和返回 按次數(shù)循

4、環(huán)一段微程序 其它：如特定入口微地址在微指令下地址字段中表示清楚：使用哪種方法哪個判斷條件，要用的有關(guān)地址等，并用專門電路完成必要支持和處理微指令的下地址是微程序設(shè)計中要重點解決的問題之一，技術(shù)、技巧性強應(yīng)學(xué)得好些微程序定序器Am2910芯片的組成與功能功能：在微程序控制器中，Am2910用于形成下一條微指令地址。它能提供12位微指令地址，因此可直接尋址4096條微指令字的空間范圍。組成：4輸入的多路地址選擇器，可從下列4個之一選擇寄存器/計數(shù)器（RIC）直接輸入微地址（D）微程序計數(shù)器（pPC）微堆棧（F）保持R為零命令譯碼器DI150/RLD零檢測出梅入柱保持猾零寄存器/計數(shù)器R/CDRF

5、pPC精考多路選擇器CP/FULL微堆棧指針J1SP5字景12位微堆棧F微程序計數(shù)器jjlPCZL輸出Y<|/OE-*Am2901內(nèi)部組成F3<F=0000OVRCn+4CnQ登存器|I三一韜|存器|崎春耐輸入口A口地址通用寄存器B口地址三工-符號位 結(jié)果為零 結(jié)果溢出 進位除出Am2901芯片是一個4位的位片結(jié)構(gòu)的運算器器件，其內(nèi)部組成講解如下：第一個組成部分是算邏運算部件ALU,能完成3種算術(shù)運算和5種邏輯運算功能.其輸出為F,兩路輸入為S.R,最低位進位Cn.四個狀態(tài)輸出信號如圖所示.F3F=0000OVRCn+4R 二1第二個組成部分是通用寄存器組由16個寄存器構(gòu)成,并通過

6、A口與B口地址選擇被讀的寄存器.B口地址還用于指定寫入寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址通過B口地址、A口地址讀出的數(shù)據(jù)將送到B、手存器| B 口地址 f （寫入）A鎖存器，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)由一個多路選擇器送來。F3F=0000OVRCn44輸出Y+/OE一組三選一門和另一組二選一門用來選擇送向ALU的S、R輸入端的數(shù)據(jù)來源Q寄存器I三選一IB鎖存器；mTa-j口地址通用寄存器口地址,包括Q寄存器、A口、B口、外部輸入D數(shù)據(jù)的8種不同組合。輸出Y/OE-*二選一F3F=0000OVRCii+4CnQ寄存器Q3i1iQO一三選一f'hdi二選二選B鎖存器A鎖存器輸入DA口地址通用寄存器B口

7、地址"B16"f'TV一組三選一門完成把ALU的輸出，或左移一位,或右看一位的值送往通用寄存器組,最高r最低位移位信號有雙向人/出問題一組三選一門完成Q寄存器的左移一位，或右移一位.或接心LU輸出值的功能.最高，最低位移位信號有雙向人/出問題.微程序設(shè)計微程序設(shè)計是用規(guī)整的存儲邏輯代替不規(guī)則的硬接線邏輯來實現(xiàn)計算機控制器功能的技術(shù)。每一條指令啟動一申微指令，這用微指令稱為微程序。微程序存放在控制存儲器中，修改控制存儲器內(nèi)容可以改變計算機的指令。微程序是由若干條微指令組成的序列。在計算機中，一條機器指令的功能可由若干條微指令組成的序列來解釋和執(zhí)行，因此機器執(zhí)行一條指令

8、的過程，也就是執(zhí)行一個相應(yīng)的微程序的過程。就一般數(shù)字系統(tǒng)而言，按照我們在第6.5節(jié)中使用的概念，微程序?qū)嵸|(zhì)上就是將控制算法流程圖用EPRO雕來實現(xiàn)。微程序概念的引入使大型復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)控制器的設(shè)計發(fā)生了革命性的變化。因為微程序技術(shù)可代替硬件布線的控制技術(shù)，即由門電路和觸發(fā)器等組成的硬件網(wǎng)絡(luò)可被存有控制代碼的EPRO麻儲器所取代在計算機等數(shù)字系統(tǒng)中，控制器的典型功能是按時間節(jié)拍發(fā)出一定數(shù)量的控制信號，使系統(tǒng)完成若干基本操作，經(jīng)過若干節(jié)拍后即完成一種相對完整的功能，如一條機器指令的功能。在一般的控制器中這些控制都是由硬接線邏輯來實現(xiàn)的，在微程序控制器中這些基本操作是由存在于控制存儲器中的微程序段控制

9、完成的，每個基本操作稱為微操作。微程序段由若干條微指令組成。圖中，從存儲器中取一條機器指令送入指令寄存器，寄存器的輸出接微程序控制器，由后者控制微程序的執(zhí)行。通常，機器指令的操作碼通過微程序控制器給出執(zhí)行這條機器指令微程序段的首址，從控制存儲器中取出此微程序段的第一條微指令存入微指令寄存器。一條微指令包含若干個微碼域。各個微碼域通過一定的譯碼控制各相應(yīng)功能執(zhí)行部件，在微指令周期內(nèi)完成相應(yīng)的各個微操作。微指令周期也稱為微周期。微指令中一部分信息（微碼域）也可反饋到微程序控制器，協(xié)同微指令執(zhí)行后產(chǎn)生的狀態(tài)信息和機器指令中除操作碼以外的其他信息，通過微程序控制器去選取下一條微指令，從而控制微程序的流

10、程相繼執(zhí)行這一段微程序而完成一條相應(yīng)機器指令所要求的功能。各種機器指令的功能都是通過執(zhí)行相應(yīng)的微程序段來完成的,也可設(shè)計編制一微程序段，用以完成一條宏指令或宏命令。把設(shè)計編制的各微程序段適當(dāng)組合起來可形成一個微程序整體，控制器的功能就反映在這一整體中，所以微程序控制的物理結(jié)構(gòu)很規(guī)整，而其功能設(shè)計方法又很靈活。微周期的長短以及在一個微周期內(nèi)能完成的微操作個數(shù)，是決定計算機系統(tǒng)運行速度的主要因素。微周期越短，一個微周期內(nèi)完成的微操作越多，系統(tǒng)的運行速度越高。微周期短，要求包括控制存儲器在內(nèi)的控制部件和被它控制的各個功能執(zhí)行部件有足夠的快速響應(yīng)能力。在一個微周期內(nèi)能完成的微操作越多，就要求這一系統(tǒng)有

11、更多的功能執(zhí)行部件（硬件資源），而微指令中也必須有對應(yīng)的微碼域，即增加微指令的字長或?qū)挾?，而且這些微操作所需的硬件資源數(shù)據(jù)和控制條件不能相關(guān)，以便在同一微周期內(nèi)并行執(zhí)行。如一個微操作所需的數(shù)據(jù)或控制條件依賴于另一個微操作的執(zhí)行結(jié)果，則兩個微操作就不能并行執(zhí)行。為了獲得高效率，在編制微程序時應(yīng)使盡可能多的微操作并行執(zhí)行，這通常稱為微程序的優(yōu)化。微程序設(shè)計的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)分析設(shè)計、微程序編制和微程序仿真。系統(tǒng)分析和設(shè)計設(shè)計前根據(jù)所要求的系統(tǒng)性能指標(biāo)對計算機系統(tǒng)進行分析，確定需要配置的各種功能執(zhí)行部件，即硬件資源。然后對微指令寬度及其所包含的各個微碼域，微指令種類和微程序控制器等進行設(shè)計。在規(guī)模大

12、、性能高的系統(tǒng)中，要求微指令有較大的寬度，包含較多的微碼域，使較多的微操作能并行執(zhí)行。這種微指令通常稱為水平型微指令。控制存儲器是快速部件，成本較高，即使是水平型微指令，在不影響并行度的情況下也應(yīng)盡可能壓縮微指令的寬度。控制同一類型且彼此相斥的操作時，可以先對微碼域進行譯碼再進行控制以縮短微指令寬度。例如，可將控制算術(shù)邏輯部件的微碼域分為5個分微碼域，其中1個分域用以選擇一種算術(shù)邏輯運算，3個分域分別控制3個輸入端數(shù)據(jù)源的選擇，另外一個控制運算結(jié)果的去處。若部件共有16種運算（包括空操作），它們是互斥的，即任何時候只能選擇其中一種。使用4位域經(jīng)過譯碼可產(chǎn)生16個選擇信號，這和使用不經(jīng)譯碼的16

13、位域的作用是一樣的。輸入端數(shù)據(jù)源的選擇控制和輸出去處的控制的情況也與此類似。對于規(guī)模較小的系統(tǒng)，硬件資源較少，并行度要求較低，可采用寬度小的微指令格式，通常稱為垂直型微指令。水平型微指令并行度高，但造價也高，編寫較困難。垂直型微指令并行度低，造價也低，編寫比較容易。為了降低成本又有較好的并行度，可采用兩級微程序控制的系統(tǒng)，第一級屬垂直型，第二級屬水平型，也稱為毫微程序。由第一級微指令選取第二級微指令，再產(chǎn)生各種控制信號。這種兩級微程序控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上復(fù)雜一些，快速性也低于一級水平型微程序系統(tǒng)，但如果設(shè)計得每條毫微指令基本都可被若干條微指令來選取，大寬度的毫微指令條數(shù)可以減少好幾成，能明顯地降低成本，提高性能價格比。微程序編制技術(shù)主要包括微程序驗證、優(yōu)化和編寫。系統(tǒng)是在微程序控制下運行的，微程序的正確性至關(guān)重要，編制的微程序必須通過模擬手段驗證。微程序的效率直接影響系統(tǒng)的效率，所以必須優(yōu)化。在實踐中經(jīng)常把優(yōu)化與驗證結(jié)合起來進行，目的是編制出正確而高效的微程序。編寫微程序，特別是水平型微程序比較費時。最常用的編寫工具是微匯編。微程序仿真用微程序設(shè)計的方法使某一計算機系統(tǒng)執(zhí)行被仿真計算機系統(tǒng)的程序。仿真的作用與模擬相仿，但其效率比模