微程序控制器课件.ppt

1、7.5 微程序控制器 7.5.1微程序控制基本原理 7.5.2微指令编码方式 7.5.3微程序的顺序控制 7.5.4微程序控制的时序v基本思想：基本思想：w计算机操作可以归结为信息传递，而信息传递的关键是控计算机操作可以归结为信息传递，而信息传递的关键是控制门。制门。控制门可以用存储器中的信息来控制控制门可以用存储器中的信息来控制，从而可用类似，从而可用类似于程序设计的方法来设计复杂的控制逻辑，这就是微程序控于程序设计的方法来设计复杂的控制逻辑，这就是微程序控制的基本思想。制的基本思想。硬件设计简单、规整；硬件设计简单、规整；灵活性好，便于扩充指令。灵活性好，便于扩充指令。执行速度慢执行速度慢

2、 v 微程序控制的基本概念微程序控制的基本概念w 微命令与微操作：微命令与微操作：用来用来打开或关闭信息控制门的控制命令打开或关闭信息控制门的控制命令称为微命令，由微命令称为微命令，由微命令控制实现的最基本操作称作微操作。控制实现的最基本操作称作微操作。w 微指令：微指令：若干个若干个微命令的组合微命令的组合。通常以编码的形式存放在控存中。通常以编码的形式存放在控存中。w 微程序：微程序：微指令的有序组合。微指令的有序组合。一段微程序控制实现一条机器指令。一段微程序控制实现一条机器指令。v控制存储器和微地址控制存储器和微地址w用来存放微程序的存储器称用来存放微程序的存储器称为控制存储器为控制存

3、储器，简称控存，简称控存（CM）。）。每个控存单元存放一条微每个控存单元存放一条微指令。指令。w控存单元的地址称为微地址，控存单元的地址称为微地址，即微指令的地址。即微指令的地址。v微指令寄存器微指令寄存器IRw标志微指令执行的开始标志微指令执行的开始w微操作控制部分微操作控制部分以编码的形式存在，经以编码的形式存在，经过微指令译码后形成微过微指令译码后形成微操作控制信号，即微命操作控制信号，即微命令。令。w顺序控制部分顺序控制部分 控制微指令的执行顺序，控制微指令的执行顺序，包含了下一条微指令地包含了下一条微指令地址的信息，用于形成后址的信息，用于形成后继微指令的微地址。继微指令的微地址。v

4、微地址形成电路微地址形成电路AG。有三个输入有三个输入wIR的顺序控制部分的顺序控制部分wIR主要用于产生微程序的主要用于产生微程序的入口地址，比如依据指入口地址，比如依据指令的操作码形成对应各令的操作码形成对应各指令执行阶段的微程序指令执行阶段的微程序入口地址。入口地址。wPSW在某些场合，需要根据在某些场合，需要根据PSW中的状态标志决定中的状态标志决定分支转移的微地址。分支转移的微地址。v微地址寄存器微地址寄存器ARw接收接收AG形成的微地址形成的微地址w标志从控存中读取下一条微指令的开始标志从控存中读取下一条微指令的开始w初始值初始值取指令微程序的入口地址取指令微程序的入口地址在系统复

5、位时初始化在系统复位时初始化RESETv水平型微指令水平型微指令w微指令的字长比较长微指令的字长比较长w在一条微指令中可以产生较多的微命令在一条微指令中可以产生较多的微命令w操作的并行性较高。操作的并行性较高。v垂直型微指令垂直型微指令w微指令的字长比较短微指令的字长比较短w操作的并行性不高操作的并行性不高w微程序比水平型的要长微程序比水平型的要长 v直接控制方式直接控制方式w微指令中微操作控制部分的每一位对应一个微命令，微命微指令中微操作控制部分的每一位对应一个微命令，微命令的产生不必经过译码，输出后直接作为微操作控制信号。令的产生不必经过译码，输出后直接作为微操作控制信号。因此又称不译法。

6、因此又称不译法。w例如将例如将ALU和移位寄存器的控制信号用直接控制法进行组和移位寄存器的控制信号用直接控制法进行组合合w特点特点直观、硬件实现简单，执行速度快，直观、硬件实现简单，执行速度快，具有高度的并行操作能力。具有高度的并行操作能力。编码效率低，微指令字长很长，编码效率低，微指令字长很长，对控存容量的需求较大，不经济，对控存容量的需求较大，不经济，缺乏实用价值。缺乏实用价值。w是典型的水平型微指令是典型的水平型微指令 SLSRSVADD ADDC SUBSUBBANDORNOTv字段直接编码方式字段直接编码方式 w将微指令分为若干个字段，每个字段独立编码，每种编码将微指令分为若干个字段

7、，每个字段独立编码，每种编码表示一个微命令表示一个微命令w既可以缩短微指令字长，又保持了一定的并行操作能力既可以缩短微指令字长，又保持了一定的并行操作能力 w并没有导致微程序变长，仍然属于水平型微指令格式并没有导致微程序变长，仍然属于水平型微指令格式 2位位3位位移位控制字段移位控制字段运算控制字段运算控制字段00:NOP000：NOP01:SL001：ADD10:SR010：ADDC11:SV011：SUB100：SUBB101：AND110：OR111：NOTv字段直接编码方式字段直接编码方式 w相斥性微命令相斥性微命令在一个微周期中不应该或者不可能同时出现的微命令在一个微周期中不应该或者

8、不可能同时出现的微命令例如例如ALU的运算控制微命令的运算控制微命令存储器的读和写存储器的读和写w相容性微命令相容性微命令可以同时出现的微命令可以同时出现的微命令例如，例如，ALU和存储器之间的微命令和存储器之间的微命令w分段原则分段原则相斥性的微命令安排在同一字段，而相容性的、尤其是那些必相斥性的微命令安排在同一字段，而相容性的、尤其是那些必须同时操作的相容性微命令安排在不同字段须同时操作的相容性微命令安排在不同字段v字段间接编码方式字段间接编码方式 w微命令的产生并不是直接从一个字段译码得到，而是需要微命令的产生并不是直接从一个字段译码得到，而是需要另一个字段的编码加以解释另一个字段的编码

9、加以解释 w有效地压缩了微指令字长，不仅组内的微命令是相斥的，有效地压缩了微指令字长，不仅组内的微命令是相斥的，组与组之间也成为互斥的，降低了微指令的并行操作能力，组与组之间也成为互斥的，降低了微指令的并行操作能力，接近于垂直型微指令格式。接近于垂直型微指令格式。vMicroprogram Sequence Controlw当前微指令执行完毕后，如何产生下一条微指令的地址。当前微指令执行完毕后，如何产生下一条微指令的地址。w实质上就是微地址形成问题。实质上就是微地址形成问题。v增量计数器法增量计数器法w在顺序执行时，在顺序执行时，AR+1AR也称为也称为PC，即微程序计数器，即微程序计数器 w

10、需要转移时，由微转移指令给出转移微地址，更新需要转移时，由微转移指令给出转移微地址，更新ARw两种微指令格式两种微指令格式微命令微命令微转移微转移w缺点缺点微转移指令将耗费一个微周期。由于微程序中的转移是频繁发微转移指令将耗费一个微周期。由于微程序中的转移是频繁发生的，这就制约了微程序的运行速度。生的，这就制约了微程序的运行速度。适合速度要求不高的计算机采用。适合速度要求不高的计算机采用。0微操作控制部分微操作控制部分 1微转移地址微转移地址 v下一地址字段法下一地址字段法w设置一个专门的字段，用来指明下一条微指令的地址设置一个专门的字段，用来指明下一条微指令的地址 w纯粹的下址字段法不能产生

11、分支转移纯粹的下址字段法不能产生分支转移v增加转移方式字段增加转移方式字段w下址字段作为后继微地址的高位部分，指定了后继微地址下址字段作为后继微地址的高位部分，指定了后继微地址在某个区域内。在某个区域内。w转移方式字段控制硬件逻辑测试相关状态条件，产生后继转移方式字段控制硬件逻辑测试相关状态条件，产生后继微地址的低位部分。状态条件的不同，将产生不同的微地址，微地址的低位部分。状态条件的不同，将产生不同的微地址，实现两分支或多分支转移。实现两分支或多分支转移。微操作控制部分微操作控制部分 下址字段下址字段微操作控制部分微操作控制部分 转移方式字段转移方式字段下址字段下址字段v完成一条微指令分为两

12、个阶段：完成一条微指令分为两个阶段：w取微指令（取微指令（CP1）和执行微指令（）和执行微指令（CP2）v串行执行方式串行执行方式 w取微指令和执行微指令按顺序进行，在一条微指令执行完取微指令和执行微指令按顺序进行，在一条微指令执行完成后，才去取下一条微指令。成后，才去取下一条微指令。开始执行微指令开始执行微指令CP1周期内周期内CM输出不变输出不变CP2周期内周期内IR输出不变输出不变 2324 25v串行执行方式串行执行方式 w取微指令时间取微指令时间tcm：从：从CP1的上升沿到的上升沿到CP2的上升沿的上升沿w执行微指令时间执行微指令时间top:从从CP2的上升沿至下一个的上升沿至下一

13、个CP1的上升的上升沿沿top与组合逻辑控制方式的节拍周期的时间大体相当与组合逻辑控制方式的节拍周期的时间大体相当 所以组合逻辑控制比微程序控制速度更快所以组合逻辑控制比微程序控制速度更快 w微周期微周期 T=tcm+top v并行执行方式并行执行方式w按时间重叠的原则将执行微指令和取微指令操作并行执行按时间重叠的原则将执行微指令和取微指令操作并行执行w在一条微指令执行结束前，下一条微指令提前从控存中取在一条微指令执行结束前，下一条微指令提前从控存中取出出v并行执行方式并行执行方式的作用有两个的作用有两个开始执行微指令开始执行微指令将将当前当前微指令执行的结果打入某个寄存器。微指令执行的结果打入某个寄存器。v并行执行方式并行执行方式w取微指令时间取微指令时间tcm：从：从CP1的上升沿到的上升沿到CP2的上升沿的上升沿w执行微指令时间执行微指令时间top：从：从CP2上升沿至下一个上升沿至下一个CP2上升沿上升沿w微周期微周期=微指令的执行时间微指令的执行时间T=top 遇到条件微转移有可能预取失效遇到条件微转移有可能预取失效v7.11v7.12v7.13