计算机组成原理第五章 第4讲 微程序控制器
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计算机组成原理教案(第五章)
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
3.联合控制方式
此为同步控制和异步控制相结合的方式。 情况（1） 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些 时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操 作的结束； 情况（2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的 机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作
控 制 字 段 判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
I. 全水平型(不译法)微指令 II. 字段译码法水平型微指令 III. 直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由 微操作码规定微指令的功能 ，称为垂直型微指令。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指 令字长为16位，微操作码3位。
(1)寄存器-寄存器传送型微指令 (2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令 (4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微 指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间 长。
5.8.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周 期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能 执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术
微程序控制器(ppt16).pptx
。2020年9月6日星期日上午9时58分34秒09:58:3420.9.6
• •
T H E E N D 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年9月上午9时58分20.9.609:58September 6, 2020
16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020年9月6日星期日9时58分34秒09:58:346 September 2020
➢ 将一条指令分成若干条微指令，按次序执行 这些微指令，就可以实现指令的功能。
➢ 组成微指令的微操作命令就是微命令。 ➢ 微命令执行的结果就是完成微操作。
计算机组成原理 第五章 中央处理器 微程序控制器
➢微程序控制器的工作原理 ➢微指令：同时发出的控制信号所执行的
一组微操作。
计算机组成原理 第五章 中央处理器 微程序控制器
➢微命令：控制器发出的指挥机器执行微 操作的命令。
➢微指令：在一个CPU周期中，一组实现 操作功能的的微命令的组合。
• 例如：加法指令的执行可分为：取指、计算 地址、取操作数和加法运算四步，每一步都 由一组微操作实现。这一组能同时执行的微 操作就构成一条微指令。
计算机组成原理 第五章 中央处理器 微程序控制器
➢相容性微命令： 在同一个CPU 周期中，可以 同时执行的微 操作命令。
➢相斥性微命令：
在同一个CPU
相 斥
周期中，不能
同时执行的微
操作操作。
相 斥
相 斥
计算机组成原理 第五章 中央处理器 微程序控制器
➢不能在一条微指令中将微命令全部发完。
➢微程序：计算机每条指令的功能均由微指 令序列解释完成，这些微指令序列的集合 就叫做微程序。
R1
1
白中英第五版计算机组成原理第5章
计算机组成原理
共一百零六页
（1）加法(jiāfǎ)
“ADD R2，R0”
PC→AR
取指
M→DR
DR→IR
PCo，G，ARi
R/W=R DRo，G，IRi
PC→AR M→DR DR→IR
（2）减法(jiǎnfǎ) “SUB R1，R3”
PCo，G，ARi
R/W=R
DRo，G，IRi
R2→Y
R0→X
计算机组成原理
运行标志
(biāozhì)触 发器Cr
◆ 当计算机启动时，一定 要从第1个节拍脉冲前沿 开始工作。
◆ 停机时一定要在第4个 节拍脉冲结束后关闭时 序产生器。
计算机组成原理
共一百零六页
5.3.3 控制(kòngzhì)方式
控制器的控制方式：控制不同(bù tónɡ)操作序列时序信号的方法。
1. 同步控制方式
共一百零六页
MOV指令(zhǐlìng)的指令(zhǐlìng)周期——取指
计算机组成原理
共一百零六页
MOV指令的指令周期(zhōuqī)——执行
计算机组成原理
共一百零六页
play
5.2.3 LAD指令(zhǐlìng)的指令(zhǐlìng)周期
LAD R1, 6是一条(yī tiáo)RS指令
计算机组成原理
共一百零六页
计算机组成原理
共一百零六页
5.3 时序产生器和控制(kòngzhì)方式
[思考]
用二进制码表示的指令和数据都放在内存里， 那么CPU是怎样(zěnyàng)识别出它们是数据还是指令呢?
从时间上来说:
◆ 取指发生在指令周期的第一个CPU周期;
◆ 取数发生在后面几个CPU周期，即 “执行指令”阶段。
计算机组成原理第6版(白中英)第5章中央处理器
11
5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
10
5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
3
3
5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
12
5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
14
5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
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5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
3
3
5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
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5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
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5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
计算机组成原理课程设计(中央处理器--微程序控制器设计)
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。
计算机组成原理-微程序控制器
5.4.5 CPU周期与微指令周期
的关系
➢ 【分析】
一个CPU周期为0.8μs，它包含四个等间隔 的节拍脉冲T1—T4，每个脉冲宽度为200ns。 用T4作为读取微指令的时间，用T1+T2+T3时 间作为执行微指令的时间。例如，在前600ns 时间内运算器进行运算，在600ns时间的末尾 运算器已经运算完毕，可用T4上升沿将运算结 果打入某个寄存器。与此同时可用T4间隔读取 下条微指令，经200ns时间延迟，下条微指令 又从只读存储器读出，并用T1上升沿打入到微 指令寄存器。
➢ 微操作
▪ 执行部件接受微命令后所进行的操作。
➢ 控制部件与执行部件通过控制线和反馈 信息进行联系。
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5.4.2 微指令和微程序
➢ 微指令
▪ 在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操 作功能的微命令的组合。
➢ 微程序
▪ 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成 的序列。
➢ 控制部件与执行部件通过控制线和反馈 信息进行联系。
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5.4.6 机器指令与微指令的关系
➢ 【例2】
设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中 ALU为16位的加法器(高电平工作)，SA,SB为16 位暂存器。4个通用寄存器由D触发器组成，Q 端输出，其读、写控制功能见下表。
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5.4.6 机器指令与微指令的关系
读控制
存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指
令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址
的任务。
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5.4.4 微程序举例
➢ 我们举“十进制加法”指令为例，具体 看一看微程序控制的过程。
➢ 第一条微指令的二进制编码是
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
取出CLA指令
算术逻辑单元
ALU
累加器AC
取指 控制
操作控制器
时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反馈
c
+ 1
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
30 000 006 31 40
指令译码器
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
15
2
第5章 中央处理器 计算机组成原理
5.1 CPU的组成和功能 5.2 指令周期 5.3 时序产生器和控制方式 5.4 微程序控制器 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU
5.8 流水CPU 5.9 RISC CPU 5.10 多媒体CPU 5.11 CPU性能评价
3
5.1 CPU的功能和组成
30 000 006 31 40
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
16
5.2.3 ADD指令的指令周期
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期
取指令 开始 PC+1
执行加 操作
取下条指 令PC+1
对指令 译码
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
执行指令阶段
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取出并执行ADD指令
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 运算方法和运算器 ☼ 第三章 存储系统 ☼ 第四章 指令系统 ☼ 第五章 中央处理器 ☼ 第六章 总线系统 ☼ 第七章 外围设备 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 并行组织
计算机组成原理实验课件--微程序控制器
地址寄存器
运算器 PC SP
最低 位进 位、 移位 信号
开关门
内部总线
教学计算机的数据通路 与微命令的控制作用
开关门
数据开关
中断向量
19
微指令中的微命令字段用于控制计算机各部件的执 行功能和动作过程，因此又可以被划分为多个子字段， 各子字段用于不同的部件、不同的执行功能、不同的 数据选择等，有多种的划分和组合方式。
微下地址 （8位） CI SCC
M R W I210 I87 （8位）
I6 I543 B口 （8位）
（8位）
A口 SST SSH （8位）
SCI DC2 DC1 （8位）
9
（2）微指令寄存器
微指令寄存器用于存放处在运行中的微指令的内容。 48位的微指令寄存器也被分成16位的下地址字段和32 位的微命令字段。其中下地址字段选用2片由8位的D 触发器构成的寄存器芯片实现，32 位的微命令字段 在MACH芯片内实现。
地址寄存器
运算器 PC SP
最低 位进 位、 移位 信号
开关门
内部总线
教学计算机的数据通路 与微命令的控制作用
开关门
数据开关
中断向量
25
给内存和 I/O接口的信号
/MIO（0：有内存或串口读写, 1：无） REQ （0：读写内存操作， 1：读写串行口） /WE （0：写操作错作， 1：读操作操作） 0 0 0 写内存 0 0 1 读内存 0 1 0 写串口 0 1 1 读串口 1 XX 无内存和串口的读写操作
111
NC
无操作
27
对几个特定的寄存器接收输入的控制
DC2编码 译码信号 000 NC 操作说明 无寄存器接收数据
计算机组成原理课程设计（中央处理器--微程序控制器设计）
“计算机组成原理”课程设计报告微程序控制器的设计一、设计思路按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
从而可以想到如下指令： （１）24位控制位分别介绍如下：位控制位分别介绍如下： XRD XRD ：： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
定外设读数据。
EMWR EMWR：： 程序存储器EM 写信号。
写信号。
EMRD EMRD：： 程序存储器EM 读信号。
读信号。
PCOE PCOE：： 将程序计数器PC 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
EMEN EMEN：： 将程序存储器EM 与数据总线DBUS 接通，由EMWR 和EMRD 决定是将DBUS 数据写到EM 中，还是从EM 读出数据送到DBUS DBUS。
IREN IREN：： 将程序存储器EM 读出的数据打入指令寄存器IR 和微指令计数器uPC uPC。
EINT EINT：： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP ELP：： PC 打入允许，与指令寄存器的IR3IR3、、IR2位结合，控制程序跳转。
转。
MAREN MAREN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据打入地址寄存器MAR MAR。
MAROE MAROE：将地址寄存器：将地址寄存器MAR 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
OUTEN OUTEN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据送到输出端口寄存器OUT 里。
里。
STEN STEN：： 将数据总线DBUS 上数据存入堆栈寄存器ST 中。
中。
RRD RRD：： 读寄存器组读寄存器组R0-R3R0-R3，寄存器，寄存器R?R?的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
计算机组成原理(第4版)3(4)-CPU子系统-模型机CPU-5-微程序控制方式PPT课件
BI：B输入选择 000 无输入 011 D→B
001 Ri→B 100 MDR→B
010 C→B R0～R3、SP、PC SM：ALU功能选择 (S3S2S1S0 M)
CI：初始进位选择
S： 移位选择 CP：结果分配
0000 不输出脉冲
0001 CPRi (R0～R3、SP、PC) 0010 CPC
（1）格式, 32位
3 3 5 22 4
1 112 4
AI BI SM CI S CP EMAR R W ST SC
数据通路操作
访存 辅助 顺序
结果分配
控制
按教材表3-2确定各段代码，SC码段单独设计。
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3 3 5 22 4
1 112 4
AI BI SM CI S CP EMAR R W ST SC
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（2）微程序编制与存储 结合各指令流程、微指令格式和微命令码，可以 完成所有指令的微指令编码。
[例]MOV R1，（R0）；按流程写出微地址 00 01 02 59 5B 5C 03 6B 6C 04 09 0A 07 08 →00 编码得到的微指令，存储到CM中。 (参见表3-18模型机的微程序编制说明)
2021/3/12
MOV DR MOV DR ADD DR
…
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3 3 5 22 4
1 112 4
AI BI SM CI S CP EMAR R W ST SC
2）访存操作 EMAR、R、W
3）辅助操作 ST 00 无操作 10 关中断 01 开中断 11 SIR
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3 3 5 22 4 1 112 4
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• 微命令寄存器存放一条微指令（包括操作控制 字段和判别测试字段）
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5.4.1微程序控制原理
地址转移逻辑
• 如果微程序不出现分支：下一条微指令地址直 接由微地址寄存器给出
• 如果微程序出现分支：通过判别测试字段P和 执行部件的“状态条件”反馈信息，修改微地 址寄存器内容。
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勘误：
• 算数逻辑单元亦类似
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5.4.1微程序控制原理
3、微指令（Microinstruction） ：在机器 的一个CPU周期中，一组实现一定操作功 能的微命令的组合，构成一条微指令。
• 微指令：指在同一CPU周期内并行或并发执行 的微操作控制信息集合。
• 它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的 控制存储器中。
举例：
• 控制门电位信号的变化、寄存器输入端的控制、 ALU的基本执行过程…
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5.4.1微程序控制原理
由于数据通路的结构关系，微 操作可分为相容的和相斥的两种：
• 相斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个 节拍内并行执行的微操作。
• 相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍 内并行执行的微操作。必须各占一位
5.4.1微程序控制原理
操作控制：发出管理和指挥全机工作
• 圆点表示一个个微命令 • 某一位为1表示发出微命令，为0不发出。
Eg. 第1位为1时表示发出LDR1’ 第4、5位位1表示将R1同时写入X、Y
• 微命令信号的时间控制
Eg.4、9、10、2在节拍电位均有效 需要和T脉冲做与操作 如：P157 图5.22
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5.4.1微程序控制原理思考：
• 微指令周期？ • 微指令字长？控制存储器的字长 • 控制存储器的大小受什么影响？ • 微地址 • 如何按照非顺序方式执行？
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5.4.1微程序控制原理
控制存储器(μCM)。
• 这是微程序控制器的核心部件，用来存放微程 序。其性能(包括容量、速度、可靠性等)与计 算机的性能密切相关。
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类比并行与并发
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• 举一个例子：
先勘误： P156 图5.20 右侧中间 5 7 9 应该改为 9 7 5
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图解释
9 7 5
相斥：（4 6 8） （5 7 9） （+精-品文M档） 相容：（1 2 3） （X Y组合）
对图的解释：
• 寄存器的两个输入端：一个代表数据写入，一 个代表控制线路，两者都有效时产生输出
微程序控制器
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5.4 微程序控制器
发展
• 微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的M·V·Wilkes 教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出 来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的 元件。
• 到1964年，IBM公司在IBM 360系列机上成功地采用 了微程序设计技术。
• 20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微 程序设计技术的发展和应用。
5.4.1微程序控制原理 5.4.2微程序设计技术
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5.4.1微程序控制原理
CPU中的功能部件可以划分为两大类：
控制部件
微命令 微命令
反馈信息： 状态测试
微命令
执行部件 微操作 执行部件
微操作
执行部件 微操作
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5.4.1微程序控制原理
微命令：控制部件向执行部件发出的各种 控制命令叫作微命令，它是构成控制序列 的最小单位。
• 其实不能叫勘误，要指出的是，教材P158页， 介绍完基本三个部分功能之后，没有给出微程 序控制器的工作过程描述。
• 工作过程描述的相关内容要在本ppt或者配套 多媒体课件上学习。
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5.4.1微程序控制原理
微程序控制器的工作过程
• (1)执行取指令的公共操作。取指令的公共操作通常由 一段取指微程序来完成，在机器开始运行时，自动将 取指微程序的入口微地址送微地址寄存器，并从控制 存储器中读出相应的微指令送入微指令寄存器。微指 令的操作控制字段产生有关的微命令，用来控制实现 取机器指令的公共操作。当取指微程序执行完后，从 主存中取出的机器指令就已存入指令寄存器IR中了。
• 目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程 序设计技术。
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5.4 微程序控制器
基本思想：仿照解题的方法，把操作控制 信号编制成微指令，存放到控制存储器里， 运行时，从控存中取出微指令，产生指令 运行所需的操作控制信号。
微程序设计技术是用软件方法来设计硬件 的技术。
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5.4 微程序控制器
• (2)由机器指令的操作码字段通过微地址形成部件产生 出该机器指令所对应的微程序的入口地址，并送入微 地址寄存器
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5.4.1微程序控制原理
4、微程序
• 一系列微指令的有序集合就是微程序。
一段微程序对应一条指令。 微地址 ：存放微指令的控制存储器的单元地址
• 举例：以简单运算器通路图的微指令格式为例：
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5.4.1微程序控制原注理意勘误：
微指令基本格式
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图解释
9 7 5
相斥：（4 6 8） （5 7 9） （+精-品文M档） 相容：（1 2 3） （X Y组合）
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5.4.1微程序控制原理
顺序控制：决定下一条微指令地址
• 后四位：下一条微指令直接地址 • P1P2：判断测试标志
P1P2均为0：使用直接地址 P1P2中有1：要进行P1或P2测试 根据测试结果修改直接地址
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5.4.1微程序控制原理
看图p158 图5.23
提示： 图中间下方， “微命令寄存器” 不要改为 “微指令寄存器”
• 只读特性 • 微指令周期：读出一条微指令并执行微指令的
时间总和。
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5.4.1微程序控制原理
微指令寄存器(μIR)
• 分为两部分：微地址寄存器(μMAR)和微命令 寄存器
• 用来存放从控制存储器取出的正在执行的微指 令，它的位数同微指令字长相等。
• 微地址寄存器存放将要访问的下一条微指令地 址
• 例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某 个寄存器的打入脉冲等。
• 微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操 作的命令。
• 什么是微操作？
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5.4.1微程序控制原理
微操作：是微命令的操作过程。
• 微命令和微操作是一一对应的。 • 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令
的操作过程。 • 微操作是执行部件中最基本的操作。
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5.4.1微程序控制原理
地址转移逻辑
• 如果微程序不出现分支：下一条微指令地址直 接由微地址寄存器给出
• 如果微程序出现分支：通过判别测试字段P和 执行部件的“状态条件”反馈信息，修改微地 址寄存器内容。
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勘误：
• 算数逻辑单元亦类似
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5.4.1微程序控制原理
3、微指令（Microinstruction） ：在机器 的一个CPU周期中，一组实现一定操作功 能的微命令的组合，构成一条微指令。
• 微指令：指在同一CPU周期内并行或并发执行 的微操作控制信息集合。
• 它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的 控制存储器中。
举例：
• 控制门电位信号的变化、寄存器输入端的控制、 ALU的基本执行过程…
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5.4.1微程序控制原理
由于数据通路的结构关系，微 操作可分为相容的和相斥的两种：
• 相斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个 节拍内并行执行的微操作。
• 相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍 内并行执行的微操作。必须各占一位
5.4.1微程序控制原理
操作控制：发出管理和指挥全机工作
• 圆点表示一个个微命令 • 某一位为1表示发出微命令，为0不发出。
Eg. 第1位为1时表示发出LDR1’ 第4、5位位1表示将R1同时写入X、Y
• 微命令信号的时间控制
Eg.4、9、10、2在节拍电位均有效 需要和T脉冲做与操作 如：P157 图5.22
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5.4.1微程序控制原理思考：
• 微指令周期？ • 微指令字长？控制存储器的字长 • 控制存储器的大小受什么影响？ • 微地址 • 如何按照非顺序方式执行？
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5.4.1微程序控制原理
控制存储器(μCM)。
• 这是微程序控制器的核心部件，用来存放微程 序。其性能(包括容量、速度、可靠性等)与计 算机的性能密切相关。
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类比并行与并发
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• 举一个例子：
先勘误： P156 图5.20 右侧中间 5 7 9 应该改为 9 7 5
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图解释
9 7 5
相斥：（4 6 8） （5 7 9） （+精-品文M档） 相容：（1 2 3） （X Y组合）
对图的解释：
• 寄存器的两个输入端：一个代表数据写入，一 个代表控制线路，两者都有效时产生输出
微程序控制器
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5.4 微程序控制器
发展
• 微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的M·V·Wilkes 教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出 来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的 元件。
• 到1964年，IBM公司在IBM 360系列机上成功地采用 了微程序设计技术。
• 20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微 程序设计技术的发展和应用。
5.4.1微程序控制原理 5.4.2微程序设计技术
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5.4.1微程序控制原理
CPU中的功能部件可以划分为两大类：
控制部件
微命令 微命令
反馈信息： 状态测试
微命令
执行部件 微操作 执行部件
微操作
执行部件 微操作
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5.4.1微程序控制原理
微命令：控制部件向执行部件发出的各种 控制命令叫作微命令，它是构成控制序列 的最小单位。
• 其实不能叫勘误，要指出的是，教材P158页， 介绍完基本三个部分功能之后，没有给出微程 序控制器的工作过程描述。
• 工作过程描述的相关内容要在本ppt或者配套 多媒体课件上学习。
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5.4.1微程序控制原理
微程序控制器的工作过程
• (1)执行取指令的公共操作。取指令的公共操作通常由 一段取指微程序来完成，在机器开始运行时，自动将 取指微程序的入口微地址送微地址寄存器，并从控制 存储器中读出相应的微指令送入微指令寄存器。微指 令的操作控制字段产生有关的微命令，用来控制实现 取机器指令的公共操作。当取指微程序执行完后，从 主存中取出的机器指令就已存入指令寄存器IR中了。
• 目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程 序设计技术。
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5.4 微程序控制器
基本思想：仿照解题的方法，把操作控制 信号编制成微指令，存放到控制存储器里， 运行时，从控存中取出微指令，产生指令 运行所需的操作控制信号。
微程序设计技术是用软件方法来设计硬件 的技术。
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5.4 微程序控制器
• (2)由机器指令的操作码字段通过微地址形成部件产生 出该机器指令所对应的微程序的入口地址，并送入微 地址寄存器
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5.4.1微程序控制原理
4、微程序
• 一系列微指令的有序集合就是微程序。
一段微程序对应一条指令。 微地址 ：存放微指令的控制存储器的单元地址
• 举例：以简单运算器通路图的微指令格式为例：
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5.4.1微程序控制原注理意勘误：
微指令基本格式
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图解释
9 7 5
相斥：（4 6 8） （5 7 9） （+精-品文M档） 相容：（1 2 3） （X Y组合）
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5.4.1微程序控制原理
顺序控制：决定下一条微指令地址
• 后四位：下一条微指令直接地址 • P1P2：判断测试标志
P1P2均为0：使用直接地址 P1P2中有1：要进行P1或P2测试 根据测试结果修改直接地址
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5.4.1微程序控制原理
看图p158 图5.23
提示： 图中间下方， “微命令寄存器” 不要改为 “微指令寄存器”
• 只读特性 • 微指令周期：读出一条微指令并执行微指令的
时间总和。
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5.4.1微程序控制原理
微指令寄存器(μIR)
• 分为两部分：微地址寄存器(μMAR)和微命令 寄存器
• 用来存放从控制存储器取出的正在执行的微指 令，它的位数同微指令字长相等。
• 微地址寄存器存放将要访问的下一条微指令地 址
• 例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某 个寄存器的打入脉冲等。
• 微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操 作的命令。
• 什么是微操作？
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5.4.1微程序控制原理
微操作：是微命令的操作过程。
• 微命令和微操作是一一对应的。 • 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令
的操作过程。 • 微操作是执行部件中最基本的操作。