第六章中央处理器(微程序控制器)

微程序控制器简介微程序控制器（Microprogram Controller）是一种用于控制计算机硬件执行指令的微处理器，用来实现指令的解码和执行。

在计算机的内部结构中，微程序控制器位于中央处理器（CPU）内部，起到指挥和控制其他部件工作的功能。

工作原理微程序控制器通过一系列微操作指令来控制计算机硬件执行指令，这些微操作指令是由微指令（Microinstruction）组成的。

每条微指令对应着一条机器指令的执行过程，包括指令的分析、解码、操作数寻址和执行等过程。

微程序控制器内部包含一个存储器单元，称为微存储器（Microstore）。

微存储器中存储了一组微程序，每条微程序对应一条机器指令的执行过程。

当计算机执行某条机器指令时，微程序控制器会从微存储器中读取相应的微程序，并按照微程序中的微指令逐步控制各个硬件部件执行指令。

特点与优势微程序控制器具有以下特点和优势：1.模块化设计：微程序控制器是一个独立的硬件模块，可以灵活地与其他硬件部件组合在一起。

这种模块化设计使得微程序控制器可以根据计算机的需求进行定制和扩展。

2.简化指令执行过程：微程序控制器将复杂的机器指令执行过程分解为一系列微操作指令，这些微操作指令更加细化和简化，使得指令的解码和执行更加高效和可靠。

3.易于调试和修改：微程序控制器的微程序可以通过软件进行编写、调试和修改。

当需要新增或修改指令时，只需要修改微程序，而无需对硬件进行改动。

这种灵活性和可修改性极大地方便了软件开发和系统维护。

4.提高指令执行效率：微程序控制器可以根据指令的特点和执行需求进行优化。

通过使用高效的微指令和微操作指令，可以加速指令的执行速度，提高计算机系统的性能。

应用领域微程序控制器广泛应用于各种计算机系统中，尤其适用于复杂指令集计算机（CISC）架构。

它在操作系统、编译器、数据库、图形处理等领域都有重要的应用。

在操作系统中，微程序控制器负责实现指令的解码和执行，协调各个硬件部件的工作，保证操作系统的正常运行。

计算机组成原理课程设计：中央处理器-微程序控制器设计摘要本文档介绍了一个针对计算机组成原理课程的设计项目，即中央处理器的微程序控制器设计。

在设计中央处理器的微程序控制器时，我们将考虑指令的执行、数据的处理以及控制信号等关键方面。

通过这个设计项目，学生将深入了解计算机系统的核心组件并掌握微程序控制器的设计方法。

引言计算机组成原理课程旨在帮助学生理解计算机硬件系统的基本原理和组成部分。

其中，中央处理器是计算机系统中最核心的部分之一。

微程序控制器是中央处理器的关键组件，它通过微指令序列控制着处理器的各个部件。

本设计项目旨在实践计算机组成原理的理论知识和设计方法，使学生能够了解中央处理器的内部结构和工作原理，并掌握微程序控制器的设计技术。

设计目标本次设计的目标是： 1. 使用合适的指令集设计一个完整的微程序控制器。

2. 实现基本的指令执行功能，包括算术逻辑单元(ALU)操作、内存读写、条件分支和跳转等。

3. 考虑控制信号与数据通路之间的兼容性和时序关系。

4. 考虑指令的效率和性能，实现合理的指令编码和微指令生成策略。

设计内容1. 指令集设计在设计微程序控制器时，首先需要确定适合该设计的指令集。

指令集应该包括基本的算术、逻辑、移位和控制指令，以及内存读写指令。

根据实际需求，可以添加其他合适的指令。

2. 微指令设计为了实现指令集中的每个指令，需要设计相应的微指令。

微指令是一系列控制信号的序列，用于控制中央处理器中各个部件的操作。

每个微指令应该包含控制信号、操作码、寄存器的选择和数据通路的选择等信息。

3. 数据通路设计数据通路连接了CPU中各个部件，包括寄存器、ALU、控制器等。

在设计数据通路时，需要考虑指令的执行顺序、数据的传递和处理，以及控制信号的生成等。

数据通路应该支持指令的执行和数据操作。

4. 控制信号设计控制信号是微程序控制器中最关键的部分，它确定了中央处理器中各个部件的操作方式和时序。

在设计控制信号时，需要考虑不同指令的差异性和并行性，确保指令的正确执行。

教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第六章中央处理器•6.1CPU的组成及功能• 6.2指令的执行过程• 6.3微程序控制器• 6.4中断系统•*6.5流水结构教学重点和难点•cpu的功能和组成、指令的执行过程和中断系统第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•中央处理器（CPU）–是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。

它的发展非常迅速，其主要功能就是控制各部件的协调工作–CPU的四个主要功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•CPU的组成–由两个主要部分组成：控制器和运算器。

这两部分功能不同，配合工作。

–运算器的功能：执行所有的算术运算、执行所有的逻辑运算。

–控制器功能有：1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

2、对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号。

3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器部分–在控制器的控制下完成各种算术和逻辑运算。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器组成–ALU（由全加器组成），输入：累加器、暂存器，输出：内部数据总线–寄存器：1、通用寄存器组2、标志寄存器3、专用寄存器第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器部分–程序计数器PC：功能：完成指令控制、操作控制、时序控制第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器组成–程序计数器PC：存放待执行指令在存储器中的地址。

任何程序执行前，应将程序的首地址置入PC中，通常，PC内容顺序加1；遇到转移指令，将转移的目标地址置入PC，即可实现程序转移。

–指令寄存器IR：存放从存储器中取出的待执行的指令。

–指令译码器ID：暂存在IR中的指令，其操作码部分经译码后才能识别当前要执行指令的性质，ID的功能也在于此。