第五章控制器原理与CPU组织—5.5微程序控制器原理

2005.11.25ComputerOrganization北京化工大学信息科学与技术学院韩阳本科课程教学CSE3260D计算机组成原理5.5微程序控制器原理5.5.1微程序控制的基本思想2组合逻辑控制器：由大量的逻辑门和触发器组成。微程序控制器：基于“存储程序，顺序执行”的思想体制。微程序控制的基本思想1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2.若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；3.微程序事先存放在控制存储器(CM)中，执行机器指令时再取出。1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2.若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；CPU的构成引入了程序技术，使设计规整；引入了存储逻辑，使功能易于扩展。5.5微程序控制器原理345.5.2微程序控制器组成原理5.5微程序控制器原理IRPSW地址转移逻辑(微地址形成电路)译码器微命令字段微地址字段控制存储器CMARIR状态地址译码微命令序列微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR1.主要部件（1）控制存储器CM功能：存放微程序。CM属于CPU，不属于主存储器。55.5微程序控制器原理（2）微指令寄存器µIR功能：微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR存放现行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。(微操作控制字段)(顺序控制字段)65.5微程序控制器原理（3）微地址形成电路功能：微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR提供两类微地址。微程序入口地址：由机器指令操作码形成。后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。75.5微程序控制器原理2.工作过程微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR取指微指令（1）取机器指令CM取指微指令µIR控制存储器取指微指令微命令字段微地址字段译码器微命令序列IR微命令字段译码器控制存储器微命令主存机器指令微命令字段微地址字段IR译码器微命令序列85.5微程序控制器原理（2）转微程序入口IR操作码微地址形成电路入口µAR微命令字段CM首条微指令微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR取指微指令控制存储器取指微指令微命令字段微地址字段译码器微命令序列IR控制存储器微命令字段微地址字段译码器微命令序列微地址形成电路IR微地址寄存器微地址形成电路控制存储器微地址寄存器微命令字段微地址字段（3）执行首条微指令控制存储器译码器µIRµIR译码器微命令字段微地址字段微命令序列微命令操作部件95.5微程序控制器原理微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR（4）取后续微指令微地址字段现行微地址运行状态微地址形成电路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成电路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器后续微地址µAR微地址形成电路控制存储器CM后续微指令µIR微地址寄存器微命令字段微地址字段105.5微程序控制器原理（5）执行后续微指令同（3）微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成电路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成电路微地址寄存器微命令字段微地址字段（6）返回微程序执行完，返回CM(存放取指微指令的固定单元)。115.5微程序控制器原理5.5微程序控制器原理微命令：构成控制信号序列的最小单位。微操作：由微命令控制实现的最基本操作。微指令：若干个微命令的组合。微周期：指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间。微程序：一系列微指令的有序集合。控制存储器：存放微程序的只读存储器。5.5.2微程序控制器的基本概念结论：执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。5.5微程序控制器原理微程序控制的设计思想：将机器指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示这些微命令，并编成微指令，再形成微程序；每种机器指令对应一段微程序，存放到固定的控制存储器中；执行一条机器指令时只需从控制存储器中逐条取出与之对应的一段微程序，就可以产生各种微操作信号，实现机器指令的功能。一条机器指令＝一段微程序＝若干条有序的微指令一条微指令＝若干条微命令5.5微程序控制器原理微指令的基本结构5.5微程序控制器原理微程序控制器的组成框图5.5微程序控制器原理操作码地址码指令译码控制存储器控制字段下址微程序控制器的工作原理图指令寄存器IR形成本条指令的微程序入口地址微指令寄存器5.5微程序控制器原理•指令的OP与微程序入口的可能映射方式及比较a)OP就是指令微程序的入口地址010001000111001OP01000..10001..11001125.5.3微程序举例例“十进制加法”指令←→一段微程序P1755.5微程序控制器原理①②③④5.5微程序控制器原理微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程000000000000111111000000100010010010000000000000000001101001010010010000000001001100101000100110000000010010控制存储器取指R2－R3→R2R2+R3→R2R1+R2→R2…….…….5.5.4CPU周期与微指令周期的关系135.5微程序控制器原理微指令周期：读出微指令到执行完该条微指令的时间在串行方式的微程序控制器中:微指令周期=读出微指令的时间+执行该条微指令的时间为了保持整个机器控制信号的同步，可将一个微指令周期设计与CPU周期时间相等。5.5.4CPU周期与微指令周期的关系135.5微程序控制器原理145.5.5机器指令与微指令的关系5.5微程序控制器原理一条机器指令对应一段微程序，由微指令解释执行机器指令与内存M有关，微指令与控制存储器CM有关每个CPU周期对应一条微指令155.5.6微指令格式和微命令编码方法1.格式分类5.5微程序控制器原理水平型微指令垂直型微指令(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(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。混合型微指令165.5微程序控制器原理（1）垂直型微指令优点：一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。微指令短、简单、规整，便于编写微程序。缺点：微程序长，执行速度慢；工作效率低。（2）水平型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作。优点：缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。微程序短，执行速度快。（3）混合型微指令微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快。在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。例.长城203微指令AIBIZOAOPMOPKKST3333444运算器输入控制运算器输出控制操作类型控制访M、I/O控制常数辅助操作17•水平型微指令和垂直型微指令的比较a.水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则比较差。b.水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行执行一条指令的时间长。c.由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字较长，微程序短的特点；垂直型微指令则相反，微指令短而微程序长5.5微程序控制器原理2.微命令编码方法(如何表示微操作)（1）直接控制法例.某微指令微命令按位给出。不需译码，产生微命令的速度快；信息的表示效率低。（微指令长，占CM容量大）。C0RW111C0=0进位初值为01进位初值为1R=0不读1读0不写1写W=微指令中通常只有个别位采用直接控制法。18如何确定微指令的结构，是微程序设计的关键。(1)直接表示法•操作字段的每一位表示一个微命令123456789101112131415161718192021222324252627282930LDLALDR1＋LDPCBUS↑IR(A)WEP2下址L↑R0LDLBLDR0PC＋1LDIRRDLDARLDDRP1控制字段顺序控制L↑R1L↑R2bus↑LL↑busbus↑BUSBUS↑busBUS↑ALUBUS↑PCBUS↑DRDR(D)↑BUS•优点:简单、直观，输出直接用于控制•缺点:微指令字长、不利于减少控存容量19（2）分段直接编译法（单重定义编码）例.对加法器输入端进行控制。微命令由字段编码直接给出（显式编码）。000不发命令微指令中设置AI字段，控制加法器的输入选择。加法器ABR、CD、ER、CD、FAI3010CA100FB…001RA010CA011DB011DB？微命令分组原则：同类操作中互斥的微命令放同一字段。不能同时出现CD20操作唯一；加法器A输入端的控制命令放AI字段，B输入端的控制命令放BI字段。加法器ABR、CD、ER、CD、F000不发命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不发命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：一条微指令能同时提供若干微命令，便于组织各种操作。编码较简单；微操作是计算机中最基本的操作，由于数据路、逻辑功能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作：•相容性的微操作能同时并行执行的微操作•相斥性的微操作不能同时并行执行的微操作5.5微程序控制器原理5.5微程序控制器原理图中相斥性的微操作有：(+、–、M)(4、6、8)(5、7、9)图中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)与(5、7、9)两组中各取一个任意组合（3）分段间接编译法（多重定义编码，隐式编码）例.微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。C=CA1)设置解释位或解释字段解释位1A为某类命令0A为常数/另一类微命令2)分类编译按功能类型将微指令分类，分别安排各类微指令格式和字段编码，并设置区分标志。例.DJS-220微指令分两类。21（4）其他编码方法微指令CPU方式(触发器C=0)I/O方式(触发器C=1)1)微指令译码与机器指令译码复合控制全加器运算方式控制C=0QC151617C=1QC’JCC’151617通道专用操作方式控制例.机器指令寄存器号寄存器传A微指令译码器译码器001RAR1A门222)微地址参与解释004微地址微指令取指标志变址标志0115.5微程序控制器原理23例DJS180系列26个局部性微命令(2)编码表示法•把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输出将作为操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。译码译码译码译码字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令•若某小组有4个微命令，则微指令中该字段需要多少位？需要3位，为什么？因为每字段经过译码后，要有一个状态表示不使用本组中的微命令。5.5.7微地址形成方式1.微程序入口地址的形成2.后续微地址的形成1)增量方式（计数器方式）2）断定方式（直接给定和测试断定相结合形成微地址）5.5微程序控制器原理24后继微地址由现行微地址加上一个增量来产生μAR=μPC+15.5.7微地址形成方式5.5微程序控制器原理24多路转移方式：一条微指令具有多个转移分支的能力。•取指微指令执行后，下一条微指令由指令操作OP指定•当微程序不出现分支时，直接由微指令的顺序控制字段给出下一条微指令的地址。•当出现转移时，由判别测试字段和状态条件来修改顺序控制的某些位来实现多路分支。顺序控制字段该信息有n位，微程序就有2n路转移【例】微地址寄存器有6