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(chǔ)器：控制存儲(chǔ)器是微程序控制器中的核心部件，通常由只讀存儲(chǔ)器ROM器件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)稱控存。2、微指令：控制存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元（字）表示了某一條指令的某一操作步驟的控制信號(hào)，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(hào)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(duì)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(chǔ)器中讀出微指令，以驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)各部件正確運(yùn)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(jiǎn)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(gè)下地址是不現(xiàn)實(shí)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(bǔ)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(gè)微操作控制信號(hào)。如教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)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(hào)組成一個(gè)小組，通過小組字段譯碼器對(duì)每一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)中要重點(diǎn)解決的問題之一，技術(shù)、技巧性強(qiáng)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(gè)之一選擇寄存器/計(jì)數(shù)器（RIC）直接輸入微地址（D）微程序計(jì)數(shù)器（pPC）微堆棧（F）保持R為零命令譯碼器DI150/RLD零檢測(cè)出梅入柱保持猾零寄存器/計(jì)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(jì)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(hào)位 結(jié)果為零 結(jié)果溢出 進(jìn)位除出Am2901芯片是一個(gè)4位的位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件，其內(nèi)部組成講解如下：第一個(gè)組成部分是算邏運(yùn)算部件ALU,能完成3種算術(shù)運(yùn)算和5種邏輯運(yùn)算功能.其輸出為F,兩路輸入為S.R,最低位進(jìn)位Cn.四個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)如圖所示.F3F=0000OVRCn+4R 二1第二個(gè)組成部分是通用寄存器組由16個(gè)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(gè)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(hào)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(hào)有雙向人/出問題.微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)是用規(guī)整的存儲(chǔ)邏輯代替不規(guī)則的硬接線邏輯來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制器功能的技術(shù)。每一條指令啟動(dòng)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(chǔ)器中，修改控制存儲(chǔ)器內(nèi)容可以改變計(jì)算機(jī)的指令。微程序是由若干條微指令組成的序列。在計(jì)算機(jī)中，一條機(jī)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(jī)器執(zhí)行一條指令

8、的過程，也就是執(zhí)行一個(gè)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?cè)诘?.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(shí)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(jì)發(fā)生了革命性的變化。因?yàn)槲⒊绦蚣夹g(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(chǔ)器所取代在計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)中，控制器的典型功能是按時(shí)間節(jié)拍發(fā)出一定數(shù)量的控制信號(hào)，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(duì)完整的功能，如一條機(jī)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(shí)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(chǔ)器中的微程序段控制

9、完成的，每個(gè)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(chǔ)器中取一條機(jī)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(jī)器指令的操作碼通過微程序控制器給出執(zhí)行這條機(jī)器指令微程序段的首址，從控制存儲(chǔ)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(gè)微碼域。各個(gè)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(gè)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(jī)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(jī)器指令所要求的功能。各種機(jī)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(jì)編制一微程序段，用以完成一條宏指令或宏命令。把設(shè)計(jì)編制的各微程序段適當(dāng)組合起來可形成一個(gè)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(jì)方法又很靈活。微周期的長(zhǎng)短以及在一個(gè)微周期內(nèi)能完成的微操作個(gè)數(shù)，是決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行速度的主要因素。微周期越短，一個(gè)微周期內(nèi)完成的微操作越多，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越高。微周期短，要求包括控制存儲(chǔ)器在內(nèi)的控制部件和被它控制的各個(gè)功能執(zhí)行部件有足夠的快速響應(yīng)能力。在一個(gè)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(duì)應(yīng)的微碼域，即增加微指令的字長(zhǎng)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(gè)微操作所需的數(shù)據(jù)或控制條件依賴于另一個(gè)微操作的執(zhí)行結(jié)果，則兩個(gè)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(shí)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(jì)的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)、微程序編制和微程序仿真。系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)前根據(jù)所要求的系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)微指令寬度及其所包含的各個(gè)微碼域，微指令種類和微程序控制器等進(jìn)行設(shè)計(jì)。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?？刂拼鎯?chǔ)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?？刂仆活愋颓冶舜讼喑獾牟僮鲿r(shí)，可以先對(duì)微碼域進(jìn)行譯碼再進(jìn)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(gè)分微碼域，其中1個(gè)分域用以選擇一種算術(shù)邏輯運(yùn)算，3個(gè)分域分別控制3個(gè)輸入端數(shù)據(jù)源的選擇，另外一個(gè)控制運(yùn)算結(jié)果的去處。若部件共有16種運(yùn)算（包括空操作），它們是互斥的，即任何時(shí)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(gè)選擇信號(hào)，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(duì)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(jià)也高，編寫較困難。垂直型微指令并行度低，造價(jià)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(jí)微程序控制的系統(tǒng)，第一級(jí)屬垂直型，第二級(jí)屬水平型，也稱為毫微程序。由第一級(jí)微指令選取第二級(jí)微指令，再產(chǎn)生各種控制信號(hào)。這種兩級(jí)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(jí)水平型微程序系統(tǒng)，但如果設(shè)計(jì)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(jià)格比。微程序編制技術(shù)主要包括微程序驗(yàn)證、優(yōu)化和編寫。系統(tǒng)是在微程序控制下運(yùn)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(yàn)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(shí)踐中經(jīng)常把優(yōu)化與驗(yàn)證結(jié)合起來進(jìn)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(fèi)時(shí)。最常用的編寫工具是微匯編。微程序仿真用微程序設(shè)計(jì)的方法使某一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行被仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序。仿真的作用與模擬相仿，但其效率比模