計(jì)算機(jī)原理第六章中央處理器本講簡(jiǎn)要說明目的與要求：掌握微程序設(shè)計(jì)授課重點(diǎn)：微程序設(shè)計(jì)授課難點(diǎn)：如何設(shè)計(jì)微程序閱讀章節(jié)：教材6.36.4節(jié)《ComputerOrganizationandDesign》第5章第5節(jié)主要內(nèi)容微程序設(shè)計(jì)控制器的基本思想微程序、微指令、微操作和微命令的概念及其關(guān)系微指令格式設(shè)計(jì)微操作碼字段水平微程序：不譯法、字段直接編譯法、字段間接編譯法垂直微程序：垂直編譯法（最短編碼法）下條微指令地址確定方式增量法（計(jì)數(shù)器法）斷定法（下址字段法）硬連線路設(shè)計(jì)硬連線路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：速度快，適合于簡(jiǎn)單或規(guī)整的指令系統(tǒng) 如，MIPS指令集缺點(diǎn)：是一個(gè)多輸入/多輸出的巨大邏輯網(wǎng)絡(luò) 對(duì)于復(fù)雜指令系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)龐雜，實(shí)現(xiàn)困難；修改、維護(hù)不易；靈活性差。甚至無法用有限狀態(tài)機(jī)描述！簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)方法：微程序設(shè)計(jì)1951年，Wilkes提出了微程序控制的基本思想提出一種控制器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化方法1953年，Wilkes給出了微程序工作模型，稱為Wilkes模型1965年，IBM360系列機(jī)成功采用了微程序技術(shù)。第一次提出系列計(jì)算機(jī)的概念，該系列有大、中、小型計(jì)算機(jī)，不同型號(hào)的機(jī)器在程序指令的層次上互相兼容Wilkes模型1965年，IBM360系列機(jī)都采用了微程序技術(shù)IBMsystem/360最早使用半導(dǎo)體元件的通用計(jì)算機(jī)系列第三代計(jì)算機(jī)的里程碑Wilkes模型Wilkes模型地址譯碼器CMARFCMAR指令寄存器IR…………條件碼傳送控制時(shí)鐘信號(hào)S控制存儲(chǔ)器CM控制信號(hào)字段微地址碼字段微指令寄存器uIR……微操作控制信號(hào)微程序設(shè)計(jì)微程序控制器的基本思想仿照程序設(shè)計(jì)的方法，編制每個(gè)指令對(duì)應(yīng)的微程序每個(gè)微程序由若干條微指令構(gòu)成，各微指令包含若干條微命令

(一條微指令相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)，一個(gè)微命令就是狀態(tài)中的控制信號(hào))所有指令對(duì)應(yīng)的微程序放在只讀存儲(chǔ)器中，執(zhí)行某條指令時(shí)，取出對(duì)應(yīng)微程序中的各條微指令，對(duì)微指令譯碼產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的微命令，這個(gè)微命令就是控制信號(hào)只讀存儲(chǔ)器稱為控制存儲(chǔ)器(ControlStorage/ControlMemory)，簡(jiǎn)稱控存(CS/CM)微程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)具有規(guī)整性、可維性和靈活性，但速度慢指令微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)輸入：指令、條件碼輸出：控制信號(hào)(微命令)核心：控存CSμPC：指出將要執(zhí)行的微指令在CS中的位置

μIR：正在執(zhí)行的微指令每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條微指令微程序第一條微指令地址由起始地址發(fā)生器產(chǎn)生順序執(zhí)行時(shí)，μPC+1轉(zhuǎn)移執(zhí)行時(shí)，由控制轉(zhuǎn)移字段指出對(duì)哪些條件碼進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)移地址發(fā)生器根據(jù)條件碼修改μPC最初把固化在只讀存儲(chǔ)器的微程序稱為固件(Firmware)，表示用軟件實(shí)現(xiàn)的硬部件狀態(tài)和微程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系每條指令用一個(gè)微程序?qū)崿F(xiàn)微程序由若干微指令組成，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一條微指令取指令和譯碼用專門的微程序?qū)崿F(xiàn)，稱為取指微程序問題：上述取指微程序包含幾條微指令？lw指令有幾條微指令？2條3條微指令將指令執(zhí)行微操作序列中一個(gè)節(jié)拍內(nèi)同時(shí)完成的微操作用控制位構(gòu)成的二進(jìn)制代碼串來表示構(gòu)成一條指令的一組微操作，可用一組微指令來描述微程序構(gòu)成一條指令的微指令序列微指令序列＝微程序一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序控制存儲(chǔ)器存放微程序的存儲(chǔ)器將所有指令對(duì)應(yīng)的微程序保存在該存儲(chǔ)器中微程序的有關(guān)概念微命令微操作的控制信號(hào)控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的最基本操作相容微操作指在同時(shí)或同一個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作不相容（互斥）微操作指不能在同時(shí)或同一個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作微程序的有關(guān)概念微程序\微指令\微命令\微操作的關(guān)系控制存儲(chǔ)器(CM)一條機(jī)器指令一段微程序12n微指令微指令微指令1微命令微命令m對(duì)應(yīng)主存(MM)將指令的執(zhí)行轉(zhuǎn)換為微程序的執(zhí)行微程序是一個(gè)微指令序列每條微指令是一個(gè)0/1序列，其中包含若干個(gè)微命令(即：控制信號(hào))每個(gè)微命令控制數(shù)據(jù)通路的執(zhí)行控制程序執(zhí)行要解決什么問題？(1)指令的編碼和譯碼(2)下條指令到哪里去取微程序執(zhí)行也要解決兩個(gè)問題：(1)微指令中如何對(duì)微命令編碼(2)下條微指令在哪里

微指令格式設(shè)計(jì)風(fēng)格取決于微操作碼的編碼方式(微命令：控制信號(hào))微操作碼編碼方式

不譯法（直接控制法）

字段直接編碼（譯）法

字段間接編碼（譯）法

最?。ㄗ疃獭⒋怪保┚幋a（譯）法第一個(gè)問題：微指令格式的設(shè)計(jì)水平型微指令風(fēng)格垂直型微指令風(fēng)格微指令格式：

μOPμADD微指令中包含若干微命令、下條微指令地址(可選)、常數(shù)(可選)常數(shù)指令采用的是哪種編碼方式？

μOP：微操作碼字段，產(chǎn)生微命令

μADD：微地址碼字段，產(chǎn)生下條微指令地址第一個(gè)問題：微指令格式的設(shè)計(jì)水平型微指令

基本思想：相容微命令盡量多地安排在一條微指令中

優(yōu)點(diǎn)：微程序短，并行性高，適合于較高速度的場(chǎng)合缺點(diǎn)：微指令長(zhǎng)，編碼空間利用率較低，且編制困難水平型微指令面向內(nèi)部控制邏輯的描述垂直型微指令基本思想：一條微指令只控制一、二個(gè)微命令

優(yōu)點(diǎn)：微指令短，編碼效率高，格式與機(jī)器指令類似，故編制容易缺點(diǎn)：微程序長(zhǎng)，一條微指令只能控制一、二個(gè)，無并行，速度慢垂直型微指令面向算法描述微命令產(chǎn)生不必譯碼，從操作控制字段直接得到，即每一個(gè)微命令用一位信息表示下一地址……控制信號(hào)操作控制優(yōu)點(diǎn)：并行控制能力強(qiáng)，不需譯碼速度快，編制的微程序短缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)，編碼空間利用率低，控制存儲(chǔ)器的容量大適于簡(jiǎn)單、高速控制部件在微指令的操作控制字段中，每一位代表一個(gè)微操作命令。某位為“1”表示該控制信號(hào)有效如YH-1指令流水部件不譯法（直接控制法）IdealMemoryWrAdrDinRAdr323232DoutMemWr32ALU3232ALUOpALUControlInstructionReg32IRWr32RegFileRaRwbusWRb5532busA32busBRegWrRsRtMux01RtRdPCWrALUSelAMux01RegDstMux0132PCMemtoRegExtendExtOpMux01320123416Imm32<<2ALUSelBMux10Target32ZeroZeroPCWrCondPCSrcBrWr32IorD多周期數(shù)據(jù)通路對(duì)應(yīng)的微操作碼采用不譯法，則微操作碼格式為：PCWrIorDPCSrcBrWrMemWr控制字(即：微指令)的長(zhǎng)度等于控制信號(hào)(微命令)的總位數(shù)將微操作控制字段劃分為若干小字段，每個(gè)小字段單獨(dú)編碼，每段碼點(diǎn)表示一種微命令，每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號(hào)

優(yōu)點(diǎn)：微指令分段數(shù)越多，并行控制能力越強(qiáng)；微指令短，能壓縮到不譯法的1/2到1/3，節(jié)省控存容量缺點(diǎn)：增加譯碼線路，需開銷一部分時(shí)間相容微操作：能同時(shí)進(jìn)行的微操作，稱為相容的。相容的微命令分在不同字段互斥微操作：不能同時(shí)進(jìn)行的微操作，稱為互斥的。互斥的微命令分在同一字段分段直接編碼已為大多數(shù)微程序控制的計(jì)算機(jī)所采用BACK某些參與編碼的微命令不能由一個(gè)控制字段直接定義，而需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制字段來定義。即：一個(gè)微命令字段可以表示多個(gè)微命令組，到底代表哪一組微命令，則由另一個(gè)專門的字段來確定…字段

1…字段2譯碼譯碼譯碼…操作控制控制信號(hào)…字段

n下地址……控制信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：犧牲并行性、速度換取微指令字長(zhǎng)的縮短，節(jié)省控存容量。(意義不大！)缺點(diǎn)：譯碼線路復(fù)雜，時(shí)間開銷大分段間接編碼BACK只限于局部場(chǎng)合使用將所有微命令統(tǒng)一二進(jìn)制編碼，每條微指令只包含一個(gè)微命令，通過譯碼器產(chǎn)生微操作控制信號(hào)最短編碼優(yōu)點(diǎn)：微程序規(guī)整、直觀，易于編制，微指令字長(zhǎng)短缺點(diǎn)很嚴(yán)重：微程序長(zhǎng)硬件設(shè)備復(fù)雜，需要大量的譯碼電路和門線路速度慢，每次只能產(chǎn)生一個(gè)微命令，難以提高微指令的執(zhí)行速度不實(shí)用例：某機(jī)的微指令格式中，共有8個(gè)控制字段，每個(gè)字段可分別激活5、8、3、16、1、7、25、4種控制信號(hào)，分別采用直接編碼和字段直接編碼方法設(shè)計(jì)微指令的微操作字段，并說明兩種方式的操作控制字段各取幾位。解：(1)采用直接編碼方式，微指令的操作控制字段的總位數(shù)等于控制信號(hào)數(shù)，即

5+8+3+16+1+7+25+4=69(2)

給出8個(gè)控制字段及其相應(yīng)的控制信號(hào)數(shù)，每個(gè)控制字段至少要留出一個(gè)碼字表示不激活任何一條控制線，即微指令的8個(gè)控制字段分別需要給出6、9、4、17、2、8、26、5種狀態(tài)

對(duì)應(yīng)3、4、2、5、1、3、5、3位故微指令的操作控制字段總位數(shù)為

3+4+2+5+1+3+5+3=26位微指令格式

水平型微指令如直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、直接和字段混合編碼

垂直型微指令類似機(jī)器指令操作碼

的方式一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作由微操作碼字段規(guī)定微指令的功能通常一條微指令有1~2個(gè)微命令，控制1~2種操作。垂直型微指令舉例(2)運(yùn)算控制型微指令(3)訪問主存微指令(4)條件轉(zhuǎn)移微指令(1)寄存器-寄存器傳送型微指令

兩種微指令格式的比較(1)水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力強(qiáng)

，

靈活性強(qiáng)(2)水平型微指令執(zhí)行一條機(jī)器指令所要的微指令數(shù)目少，速度快(3)水平型微指令用較短的微程序結(jié)構(gòu)換取較長(zhǎng)的

微指令結(jié)構(gòu)(4)水平型微指令與機(jī)器指令差別大例：某微程序控制器中，采用水平型直接控制（編碼）方式的微指令格式，后續(xù)微指令地址由微指令的下地址字段給出。已知機(jī)器共有28個(gè)微命令、6個(gè)互斥的可判定的外部條件，控制存儲(chǔ)器的容量為51240位。試設(shè)計(jì)其微指令格式。解：水平型微指令由操作控制字段、判別測(cè)試字段和下地址字段三部分構(gòu)成。操作控制字段位數(shù)等于微命令數(shù)為28位，下地址字段的位數(shù)可根據(jù)存控容量定為9位，當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，后續(xù)微指令地址的形成取決于狀態(tài)條件，6個(gè)互斥的可判定外部條件可以編碼成3位狀態(tài)位。非分支時(shí)的后續(xù)微指令地址由下地址字段直接給出。例：某機(jī)共有52個(gè)微操作控制信號(hào)，構(gòu)成5個(gè)相斥的微命令組，各組分別包含5、8、2、15、22個(gè)微命令。已知可判定的外部條件有兩個(gè)，微指令字長(zhǎng)28位。(1)按水平型微指令格式設(shè)計(jì)微指令，要求微指令的下地址字段直接給出后續(xù)微指令地址。(2)指出控制存儲(chǔ)器的容量。解：(1)對(duì)于5個(gè)相斥類的微命令組，每組必須增加一種不發(fā)命令的情況，條件測(cè)試字段應(yīng)包含一種不轉(zhuǎn)移的情況，則5個(gè)控制字段分別需給出6、9、3、16、23種狀態(tài)對(duì)應(yīng)3、4、2、4、5位（共18位），條件測(cè)試字段取2位，根據(jù)微指令字長(zhǎng)為28位，下地址字段取28–18–2=8位。(2)根據(jù)下地址字段為8位，微指令字長(zhǎng)為28位，得存控容量為25628位靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)靜態(tài)微程序無須改變，采用ROM動(dòng)態(tài)通過改變微指令

和微程序

改變機(jī)器指令，有利于仿真，采用

EPROM毫微程序設(shè)計(jì)

毫微程序設(shè)計(jì)的基本概念微程序設(shè)計(jì)

用微程序解釋機(jī)器指令毫微程序設(shè)計(jì)

用毫微程序解釋微程序毫微指令與微指令

的關(guān)系好比微指令與機(jī)器指令

的關(guān)系毫微程序控制存儲(chǔ)器的基本組成

控制存儲(chǔ)器（微程序）CMAR1MOPOP轉(zhuǎn)移地址垂直型微指令I(lǐng)R+1CMDR1CMAR2

控制存儲(chǔ)器（毫微程序）水平型微指令…控制信號(hào)CMDR2串行微程序控制和并行微程序控制取第i+1

條微指令執(zhí)行第

i

條微指令取第

i

條微指令執(zhí)行第

i+1

條微指令執(zhí)行第i

條微指令取第i

條微指令取第

i+1

條微指令執(zhí)行第

i+1

條微指令取第i+2

條微指令執(zhí)行第i+2

條微指令串行

微程序控制并行

微程序控制第二個(gè)問題：下條微地址的確定方式什么是微程序執(zhí)行順序的控制？指在現(xiàn)行微指令執(zhí)行完畢后，怎樣控制產(chǎn)生下一條微指令的地址怎樣控制微程序的執(zhí)行順序？在微指令中明顯或隱含地指定下條微指令在控存中的地址來控制微指令地址的產(chǎn)生方法有兩種增量(計(jì)數(shù)器)法：下條微指令地址隱含在微程序計(jì)數(shù)器μPC中斷定(下址字段)法：在本條微指令中顯式指定下條微指令地址選擇下條要執(zhí)行的微指令有三種情況第一條微指令：每條指令執(zhí)行完，就會(huì)取出下條指令執(zhí)行，當(dāng)指令取出后，需要轉(zhuǎn)移到下條指令對(duì)應(yīng)的第一條微指令執(zhí)行順序執(zhí)行時(shí)：在每條指令的微程序執(zhí)行過程中順序取出下條微指令執(zhí)行分支執(zhí)行時(shí)：在遇到按條件轉(zhuǎn)移到不同微指令執(zhí)行時(shí)，需要根據(jù)控制單元的輸入來選擇下條微指令取指微程序首址：每條指令都要先執(zhí)行“取指微程序”

多路選擇地址選擇+1CMAR地址譯碼下址字段轉(zhuǎn)移方式CMBR控存(CM)…控制信號(hào)

分支邏輯…標(biāo)志微子程序入口OPIR

微地址形成部件下條微指令地址形成原理圖微指令字的解釋執(zhí)行MM執(zhí)行部件控存CPULOADADDSTOREDATA...用戶程序和數(shù)據(jù)可以修改LOAD微程序每條指令對(duì)應(yīng)一段微指令構(gòu)成的微程序ADD微程序STORE微程序控存LOADXADDYSTOREZ主存用戶程序微程序控制的工作原理N+1NN+2P+1Q+1Q+3PP+2Q+2…取指周期

微程序?qū)?yīng)LOAD

操作的微程序?qū)?yīng)

ADD操作的微程序Q+1Q+3NN+1N+2P+1P+2N………對(duì)應(yīng)

STORE

操作的微程序K+1K+2NKK+2K+1QQ+2(1)取指階段NCMARCM(CMAR)

CMBR由CMBR發(fā)命令形成下條微指令地址N+1Ad(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令A(yù)d(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令PCMAR1RM(MAR)MDR(PC)+1PCMDRIR0010000N+2…100001N+1N…010010N+2N+1…形成下條微指令地址

N+2執(zhí)行取指微程序

微程序控制的工作原理(2)執(zhí)行階段CM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令A(yù)d(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令A(yù)d(CMBR)CMARCM(CMAR)CMBR由CMBR發(fā)命令OP(IR)微地址形成部件

CMAR(Q

CMA