1、1,微程序控制技術(shù),微程序概念 控制存儲(chǔ)器及其組織 微程序控制基本原理 微程序的設(shè)計(jì) 微指令的編碼技術(shù) 微指令的后繼地址產(chǎn)生 微指令格式 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)、毫微程序設(shè)計(jì)概念,2,微指令與微程序,微指令：由同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)所執(zhí)行的一組微操作。 例如： 加法指令的執(zhí)行可分為：取指、計(jì)算地址、取操作數(shù)和加法運(yùn)算四步，每一步都由一組微操作實(shí)現(xiàn)。這一組能同時(shí)執(zhí)行的微操作就構(gòu)成一條微指令。 微程序：一組微指令的集合。這樣： 程序由一組指令組成 指令由一個(gè)微程序?qū)崿F(xiàn) 微程序由一組微指令實(shí)現(xiàn) 微指令由一組微操作實(shí)現(xiàn),3,Wilkes模型,微程序設(shè)計(jì)思想，最初是由英國(guó)劍橋大學(xué)的M.V.Wilkes于1951年提

2、出。核心部分是連接有二極管的一個(gè)陣列。,4,控制器存儲(chǔ)器,控制存儲(chǔ)器（Control Memory）：簡(jiǎn)稱控存，用于存放微程序的存儲(chǔ)器。 控制存儲(chǔ)器與主存儲(chǔ)器都是存儲(chǔ)器，但由于其所處的位置和存放的內(nèi)容不一致，故用不同的名稱表示。前者存放微程序，后者存放系統(tǒng)程序和用戶程序。進(jìn)一步講，前者存放的是機(jī)器的指令集中每一條指令所對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序的集合；而后者則存放的是機(jī)器指令和數(shù)據(jù)。 執(zhí)行一條指令就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序。,5,控制存儲(chǔ)器的組織,公共子程序,中斷處理子程序,ADD微程序,SUB微程序,.,JMP 微程序,轉(zhuǎn)移至取指或中斷入口,微指令1 微指令2,.,6,微程序控制器的結(jié)構(gòu)框

3、圖,控制地址寄存器：存放控存地址； 控制緩沖寄存器：存放讀出的微指令，因此也稱微指令寄存器（IR）。,順序邏輯,控制地址寄存器,控制存儲(chǔ)器 （CM/CS）,控制緩沖寄存器,讀,7,微程序控制器的功能結(jié)構(gòu)圖,指令寄存器IR,指令譯碼器,控制地址寄存器,控制存儲(chǔ)器 （CM/CS）,控制緩沖寄存器,微指令譯碼器,順序邏輯,讀,下一地址,控制信號(hào)至CPU內(nèi)部 或系統(tǒng)總線,ALU標(biāo)志時(shí)鐘信號(hào),8,微程序控制的基本原理,微操作（控制信號(hào)）的編碼 以加法指令為例： (rs)+(rs1)+disp)=rd 從M中取指 =IR： (PC)-AB ; (PC)+1=PC; ADS#、W/R#、M/IO#； (Re

4、ady#；)DB-IR。 計(jì)算操作數(shù)地址，將得到的有效地址=AR: (rs1)-GR, (rs1)-ALU； disp-ALU； “+”； ALU-AR。 取操作數(shù)：AR-AB；ADS#、W/R#、M/IO#；(Ready#；) DB-DR。 做加法：(rs)-GR, (rs)-ALU；DR-ALU; “+”； rd-GR, ALU-rd。(并置運(yùn)算結(jié)果N，Z，V，C。),9,控制器中各信號(hào)的位置圖,10,控制器所要控制的基本控制信號(hào)23個(gè),11,微指令的組織,將每個(gè)控制信號(hào)用1bit表示，當(dāng)該位為1時(shí)，表示有控制信號(hào)；為0時(shí)，表示無(wú)控制信號(hào)。 對(duì)M/IO#、W/R#，則當(dāng)該位為1時(shí)，分別表示

5、訪問(wèn)存儲(chǔ)器和寫(xiě)；當(dāng)該位為0時(shí)，分別表示IO訪問(wèn)和讀。 每條微指令執(zhí)行完后，需要給出下條微指令執(zhí)行的地址。 微指令格式：,微操作序列（碼）,后繼地址,12,加法指令的微指令編碼,13,微程序流程圖,14,微程序控制器的基本結(jié)構(gòu),操作碼,地址碼,來(lái)自Cache/主存,IR,指令譯碼,控制存儲(chǔ)器,控制字段,下址,微指令寄存器IR,形成微程序入口地址, op,15,微指令編碼-直接編碼,直接編碼（direct encoding) 直接控制法（水平型微指令） 字段直接編譯法,.,.,IR,后繼地址,16,微指令編碼-間接編碼,間接編碼（indirect encoding) 字段間接編碼,.,.,微操作,

6、IR,后繼地址,譯碼12,微操作,常數(shù)源字段E編碼,17,互斥,互斥：如果有若干個(gè)（一組）微命令，在每次使用它們的微周期內(nèi)，只有一個(gè)微命令起作用，則這若干個(gè)微命令為互斥。 微周期：一條微指令執(zhí)行所需要的時(shí)間。 在字段直接編碼的微指令中，每一組譯碼器輸出的微操作必須為互斥。因此，若字段域?yàn)?位，則最多能表示7個(gè)互斥的位操作控制信號(hào)（通常000表示不發(fā)微命令）。,18,后繼地址的產(chǎn)生方式（1）,以增量方式產(chǎn)生后繼地址 順序執(zhí)行微程序,操作碼 地址碼,譯碼器,控制地址寄存器(PC),控制存儲(chǔ)器,控 制字段 轉(zhuǎn)移條件 后繼地址,+1,PC+1,微程序入口,19,續(xù)前,以增量方式產(chǎn)生后繼地址 轉(zhuǎn)移的控制

7、,操作碼 地址碼,譯碼器,控制地址寄存器(PC),控制存儲(chǔ)器,控 制字段 轉(zhuǎn)移條件 后繼地址,微程序入口,邏輯控制,轉(zhuǎn)移地址,20,后繼地址的產(chǎn)生方式（2）,增量與下址結(jié)合產(chǎn)生后繼地址 BCF：轉(zhuǎn)移控制字段；BAF：轉(zhuǎn)移地址字段 后繼地址的形成就由轉(zhuǎn)移控制字段BCF控制，并由BCF的具體長(zhǎng)度決定轉(zhuǎn)移地址形成的方式。 若BCF為3位，則最多有8種后繼地址的形成方式 BCF定義的8條微操作命令。,后繼地址,BCF,BAF,21,22,23,后繼地址的產(chǎn)生方式（3）,多路轉(zhuǎn)移 從操作碼-控存地址。不同的操作碼產(chǎn)生不同的微地址。用Map ROM實(shí)現(xiàn)。 多個(gè)測(cè)試位，形成不同的后繼地址。例如，有2個(gè)測(cè)試位

8、，則可以形成4路轉(zhuǎn)移地址。4個(gè)轉(zhuǎn)移地址可以用微地址的最低2位實(shí)現(xiàn)。 微中斷 發(fā)現(xiàn)有微中斷請(qǐng)求時(shí)，在完成當(dāng)前微指令執(zhí)行后，取微中斷程序的入口地址送PC。,24,微指令的格式,水平型微指令： 對(duì)應(yīng)CPU內(nèi)部控制線和每一條系統(tǒng)總線控制線指令中都有相應(yīng)的1位，同時(shí)還有一個(gè)指示轉(zhuǎn)移發(fā)生條件的條件字段和轉(zhuǎn)移目的地址字段。 垂直型微指令： 在微指令中設(shè)置微操作碼字段、條件碼和微地址字段，微操作碼字段通過(guò)微指令譯碼器翻譯出微操作。,25,續(xù)前,水平型微指令格式 垂直型微指令格式,控 制 信 號(hào) 條件字段 后繼地址,微指令操作碼 條件碼 地址碼,ADS#, W/IO#, C/D#, PA-AB, ALU-PC,

9、 PC+1, DB-IR, DB-DR, .,譯碼器,ADS#, W/IO#, C/D#, PA-AB, ALU-PC, PC+1, DB-IR, DB-DR, .,26,常用的垂直型微指令類型,RR傳送型微指令 運(yùn)算控制類微指令 移位控制型微指令 訪問(wèn)主存型微指令 條件轉(zhuǎn)移型微指令 無(wú)條件轉(zhuǎn)移型微指令 其他,27,動(dòng)態(tài)微程序,靜態(tài)微程序 對(duì)應(yīng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令只有一組微程序，而且這一組微程序設(shè)計(jì)好之后，一般無(wú)須改變而且也不好改變，這種微程序稱為靜態(tài)微程序。 動(dòng)態(tài)微程序 可以通過(guò)改變微指令和微程序來(lái)改變機(jī)器的指令系統(tǒng)。 動(dòng)態(tài)微程序的控存被稱為可寫(xiě)控制存儲(chǔ)器（WCS）或用戶控制存儲(chǔ)器（UCS

10、）,28,串行微程序控制器,微指令控制 節(jié)拍脈沖,29,并行微程序控制器,微指令控制 節(jié)拍脈沖,30,毫微程序概念,用于解釋微程序的一種微程序。 微程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,31,用AM2900系列芯片構(gòu)成一個(gè)微程序控制的CPU（控制器+運(yùn)算器）,R0R11：通用寄存器； R12：堆棧寄存器SP； R13：程序計(jì)數(shù)器PC，指向下一條指令； R14：程序計(jì)數(shù)器PC*，指向當(dāng)前指令； R15：中斷寄存器。,微程序順序器（Microsequencer)用于控制產(chǎn)生下一條微指令的地址。字長(zhǎng)12位，可尋址4K字。,32,AM2901的內(nèi)部結(jié)構(gòu),33,AM2910引腳說(shuō)明,D11D0：外部數(shù)據(jù)輸入線（字長(zhǎng)12位）；

11、I3I0：4位構(gòu)成16條命令，確定下一條微指令的地址； CC：條件輸入，低有效，表示測(cè)試條件為真； CCEN：CC允許信號(hào)，低有效，表示CC有效。 RLD：為低電平表示裝入D11D0作為微地址； CT：為高時(shí)，則PC-Y+1，為低時(shí)，則PC-Y； OE：為低時(shí)，允許Y輸出； Y11Y0：一條微指令的地址（字長(zhǎng)12位） ； FULL：微堆棧滿； PL，MAP，VECT：三個(gè)使能信號(hào)，用于決定輸入D的來(lái)源。,34,16條后繼微地址控制命令表,35,機(jī)器指令的設(shè)計(jì)7條指令例子,ADD，SUB，MOV ADD：(Rd)+(Rs)-Rd; SUB ：(Rd)-(Rs)-Rd; MOV： (Rs)-Rd

12、MUL (R1)*(Rs)-R0R1 CALL,JMP Address-PC JP CD CD表示條件碼， 成立，則轉(zhuǎn)移，Address-PC； 否則 PC+1-PC,OPCODE XX Rd Rs,15 10 9 8 7 4 3 0,36,模型機(jī)的微指令格式,微指令字長(zhǎng)56位，后繼地址字長(zhǎng)8位（可直接尋址256字），控制字段42位，6位備用。,W55W48：微指令轉(zhuǎn)移地址或寄存器/計(jì)數(shù)器的初值，尋址范圍0255,W43W41：AM2901的CC條件選擇字段SCC，用于測(cè)試的條件有：C、Z、N、V（條件轉(zhuǎn)移指令的條件碼，中斷請(qǐng)求，微指令選擇測(cè)試條件,W40W39：AM2901的寄存器堆A，B地

13、址選擇信號(hào)。W40=1，則W27W24表示A寄存器地址； W39=1，則W27W24表示B寄存器地址。若W40=1或W39=0，則表示W(wǎng)27W24無(wú)效。,W19W18：AM2901最低進(jìn)位輸入控制字段SCn（加法進(jìn)位，減法借位，執(zhí)行加1指令），一般情況為0。,W17W15：程序狀態(tài)碼選擇字段SST，用于選擇保存于狀態(tài)寄存器STR中的運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)（Z、C、V、N）。,W14W13：AM2901移位輸入控制字段SSH（選擇RAM0，RAM3，Q0，Q3）,W11=0，Y輸出到數(shù)據(jù)總線； W11=1，Y為高阻態(tài)。,AM1901的4個(gè)數(shù)據(jù)輸入選擇,IR,AR,MDR,STR的打入控制脈沖選通信號(hào)。,37,編制微程序,假設(shè)7條指令通過(guò)MAPROM映射后得到微程序的入口地址。 指令 微程序入口地址 ADD Rd, Rs K SUB Rd, Rs K+1 MOV Rd, Rs K+2 MUL Rs K+3 CALL address K+10 JMP address K+15 JP CD, address K+16,38,模型機(jī)微程序流程圖,39,微程序匯總表,40,小結(jié)-微程序的編制方法,列出每條指令的操作步驟以及每一步驟中所用的控制信號(hào)； 用指定的微指令格式為每條指令編制微程序； 把每條指令對(duì)應(yīng)的微程序中的公共部分提取； 畫(huà)出微程序流程圖；