微程序控制器
微程序控制器的组成
微程序控制器的组成微程序控制器是一种重要的计算机组成部分，它负责执行计算机指令并控制计算机的运行。
微程序控制器由多个组成部分组成，包括微指令存储器、微指令控制器、微操作控制器和微指令执行单元等。
1. 微指令存储器：微指令存储器用于存储微程序的指令。
微程序是一种低级的指令，它由一系列微操作组成，用于控制计算机的各个部件的操作。
微指令存储器通常使用高速的存储器芯片，能够快速地读取和写入微指令。
2. 微指令控制器：微指令控制器是微程序控制器的核心部分，负责解析和执行微程序。
它根据当前的微指令从微指令存储器中读取相应的微操作，并将其发送给微操作控制器执行。
微指令控制器通常由状态机和控制逻辑电路组成，能够根据不同的微指令执行相应的操作。
3. 微操作控制器：微操作控制器负责控制计算机的各个部件的操作。
它根据微指令控制器发送的微操作信号，控制计算机的寄存器、算术逻辑单元、存储器等部件的操作。
微操作控制器通常由多个控制逻辑电路组成，每个控制逻辑电路负责控制一个特定的部件。
4. 微指令执行单元：微指令执行单元是微程序控制器的关键部分，它负责执行微操作。
微指令执行单元通常由多个执行逻辑单元组成，每个执行逻辑单元负责执行一个特定的微操作。
微指令执行单元能够根据微操作控制器发送的微操作信号，执行相应的操作，并将执行结果返回给微指令控制器。
5. 输入输出接口：微程序控制器还包括输入输出接口，用于与计算机的外部设备进行通信。
输入输出接口通常由多个输入输出端口组成，每个输入输出端口负责控制一个特定的外部设备。
微程序控制器通过输入输出接口与外部设备进行数据的输入和输出。
6. 控制总线：微程序控制器通过控制总线与计算机的其他部件进行通信。
控制总线能够传输微指令控制器发送的微操作信号和微指令执行单元返回的执行结果。
控制总线通常由多根数据线和控制线组成，能够并行传输多个信号。
7. 时钟：微程序控制器通过时钟信号来同步各个部件的操作。
微程序控制器
若干时钟
设备使用 总线
若干时钟
CPU使用 总线
设备请求 CPU响应， 设备释放 总线权交设备 总线权 总线权 CPU 设备 CPU 设备 CPU 设备
4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用
1.组合逻辑控制方式 综合化简产生微命令的条件，形成逻辑 式，用组合逻辑电路实现； 执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发 生器)在相应时间发出所需微命令，控制
微命令序列
微地址 形成电路 微地址寄存器 µ AR
译码器
微命令字段 下地址字段 µ IR
控制存储器
CM
（3）微地址形成电路 功能：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。
微命令序列
微地址 形成电路 微地址寄存器 µ AR
微程序执行完，返回CM (存放取指微指令的 固定单元)。
微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序。 一条机器指令其功能可由一段微程序解释完成。 微周期：一条微指令所需的执行时间。
程序
指令的集合
指令 （微程序）
微指令
微指令的集合
微命令的集合
微命令
微程序控制器的组成原理图
微命令序列
微地址 形成电路 微地址寄存器 µ AR
译码器
微命令字段 下地址字段 µ IR
译码器
微命令字段 下地址字段 µ IR
控制存储器
CM
（4）微地址寄存器AR 功能：接收微地址形成部件送来的微地址 。
微命令序列
IR
PSW PC
微地址 形成电路 微地址寄存器 µ AR
译码器
微程序控制器
IR
操作码 微地址形 入口 成电路
µAR
（3）执行首条微指令
CM 首条微指令µIR
µIR 微命令字段 译码器 微命令 操作部件
（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
后续微地址
µAR
后续微指令
µIR
CM
（5）执行后续微执行完，返回CM (存放取指微指令的 固定单元)。
（1）控制存储器用来存放各机器指令对应 的微程序。译码器用来形成机器指令对应 的微程序的入口地址。当将一条机器指令 对应的微程序的各条微指令逐条取出，并 送到微指令寄存器时，其微操作命令也就 按事先的设计发出，因而也就完成了一条 机器指令的功能。对每一条机器指令都是 如此。
（2）微指令的宽度直接决定了微程序 控制器的宽度。为了简化控制存储器， 可采取一些措施来缩短微指令的宽度。 如采用字段译码法一级分段译码。显 然，微指令的控制字段将大大缩短。， 一些要同时产生的微操作命令不能安 排在同一个字段中。为了进一步缩短 控制字段，还可以将字段译码设计成 两级或多级。
微程序控制方式优缺点及应用
1.优点
（1）设计规整，设计效率高；
（2）易于修改、扩展指令系统功能；
（3）结构规整、简洁，可靠性高；
（4）性价比高。
2.缺点 （1）速度慢
访存频繁 转移较多
（2）执行效率不高
未充分发挥数据 通路本身具有的 并行能力
3.应用范围
特别适用于系列机
用于速度要求不高、功能较复杂的机器中。
组成原理
IR
微地址
PSW
形成电路
微命令序列
译码器
微命令字段 微地址字段
µIR
6.5 微程序控制器
理原成组河南科技大学计算机中央处理器06目录CATALOGCPU的功能和组成控制器的功能和组成时序系统与控制方式指令周期0102030405微程序控制器硬布线控制器06微程序控制器6.5微程序控制器明德笃行博学日新◆微程序控制器的设计思想◆微程序控制器的基本组成◆微程序设计技术微命令的编码方式微地址的形成方法微指令的格式美国剑桥大学的Wilkes教授在1951年首次提出，采用与存储程序相类似的办法，来产生控制信号序列。
采用存储逻辑，将微操作控制信号按照一定规则进行信息编码（也就是代码化），形成“微指令”，再把这些微指令按照时间的先后顺序排列起来构成微程序，并存放到一个专门的存储器里（控制存储器CM）。
当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。
1、微命令与微操作微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令。
微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。
2、微指令与微程序微指令：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，构成一条微指令。
微程序：微指令序列为微程序。
3、控制存储器与微地址控制存储器：用来存放微程序的存储器，简称控存。
微地址：控制存储器的存储单元的编号。
机器指令1 机器指令2 机器指令i ……..………微指令2 微指令1微指令i …….. …….. 微程序 程序控制存储器：用来保存指令系统中所有指令的微程序。
微指令寄存器：用来保存当前正在执行的微指令。
地址转移逻辑：用来产生微程序的入口地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。
控制存储器 地址译码 微地址寄存器 OP P 字段 控制字段地址转移 逻辑 状态条件 指令寄存器 微命令信号1.根据PC的值，从内存中取出一条指令放入指令寄存器IR。
2.根据微程序的入口地址，从控存中取出微指令存入微指令寄存器，产生相应的微命令，送往执行部件，完成规定的操作。
3.继续从控存中取出下一条微指令并执行，直至这段微程序全部执行完，此时一条指令的执行结束。
微程序控制器原理
微程序控制器原理微程序控制器是一种基于微程序技术的控制器，用于实现计算机指令的执行和控制。
微程序控制器的原理可以分为微指令设计、微指令控制和微指令存储三个方面。
首先，微指令设计是微程序控制器的核心。
微指令是一种低级别的指令，用于指导计算机硬件执行高级指令。
它是由微操作码组成的，每个微操作码对应一个微操作。
微操作可以是一组硬件控制信号，用于控制计算机中的各个功能模块（如运算器、存储器、输入输出设备等）的操作。
微指令的设计需要考虑计算机的指令集体系结构、硬件功能和执行流程，并通过微指令的编码来实现对这些功能的控制。
在微指令设计中，通常采用类似于汇编语言的方式来描述微操作和微指令，并通过微指令格式来定义微指令的结构和字段。
其次，微指令控制是微程序控制器的基本工作原理。
微指令控制是指根据微程序设计的要求，按照指令执行的顺序和要求，将微指令从微指令存储器中取出，并通过时序逻辑电路将微指令的控制信号送到各个功能模块中，从而实现对指令的执行和控制。
微指令的控制过程可以通过有限状态自动机来实现。
具体来说，微指令控制包括微指令的取指、解码、执行和存储等过程。
其中，微指令的取指是指通过地址发生器从微指令存储器中读取对应地址的微指令；微指令的解码是指将读出的微指令进行解码，提取出微操作码；微指令的执行是指根据微指令中的微操作码，产生相应的控制信号，并将其发送给硬件功能模块；微指令的存储是指通过控制信号，将执行完毕的微指令的结果存储到相关的寄存器或存储器中。
最后，微指令存储是实现微程序控制器的重要组成部分。
微指令存储器是用于存储微指令的硬件设备，通常采用的是ROM（只读存储器）或EPROM（可擦写可编程存储器）。
微指令存储器中的每一个地址对应一个微指令，每个微指令由多个位组成，包括微操作码字段、操作控制信号字段和跳转地址字段等。
在微程序控制器的工作过程中，通过对微指令的读取和执行，实现对计算机指令的解码和执行。
微指令存储器的设计需要根据计算机的指令集特点和系统需求，确定微指令的数量、位数和总线宽度等设计参数。
微程序控制单元的基本特点
微程序控制单元的基本特点
微程序控制单元的基本特点包括：
1.规整性、可维护性和灵活性：微程序控制器是一种利用软件方
法来设计硬件的技术，可实现复杂指令的操作控制，具有规整性、可维护性和灵活性等一系列优点。
2.高度规整性：微程序控制器主要由控制存储器、指令寄存器、
地址形成器、模拟逻辑电路和微程序计数器等组成，其中最核心的是控制存储器，也被称为微程序存储器，它存储着微程序控制器执行指令所需要的全部微操作序列。
3.灵活性：微程序控制器可以方便地增加和修改指令，甚至可实
现其他计算机的指令。
4.极高的维护性和调试性：微程序控制器还具有非常好的维护性
和调试性，在出现问题时，能够很快诊断和修复故障。
总的来说，微程序控制单元的基本特点主要表现在结构、工作原理和性能等方面。
微程序控制器的工作原理
微程序控制器的工作原理
微程序控制器是一种计算机控制系统，通过微程序来实现指令的执行和计算机的操作。
其工作原理可分为以下几个步骤：
1. 指令译码：微程序控制器首先从内存中获取指令，然后通过指令译码器将指令转换为微操作码。
微操作码是微程序控制器内部使用的一种指令格式，它描述了具体的操作和数据流向。
2. 微程序寻址：微程序控制器根据微操作码寻址内部的微程序存储器。
微程序存储器中存储了一系列微程序，每个微程序对应一条机器指令的执行步骤。
通过寻址，微程序控制器能够定位到当前指令对应的微程序。
3. 微操作执行：微程序控制器通过执行微程序中的微操作来完成指令的执行。
微操作是微程序中的最小执行单位，它可以是一条简单的数据传输、计算、逻辑运算等操作。
通过逐个执行微操作，微程序控制器实现了指令的功能。
4. 数据传输：在执行微操作的过程中，微程序控制器需要将数据从寄存器或内存中读取，并将结果写回到寄存器或内存中。
为了实现数据传输，微程序控制器通常会拥有多个数据通路和寄存器，并通过内部的数据总线来完成数据的读写操作。
5. 状态控制：微程序控制器还需要实现对计算机状态的控制。
例如，在执行分支指令时，需要判断条件并根据结果来选择下一条指令的地址。
为了实现状态控制，微程序控制器通常会拥有一组状态寄存器和判断逻辑，并根据状态来更新指令的地址。
通过以上的工作原理，微程序控制器能够实现对指令的执行和控制，从而完成计算机的各种操作。
它具有指令灵活、易于维护和扩展等特点，被广泛应用于各种计算机系统中。
微程序控制器原理
微程序控制器原理一、引言微程序控制器是一种基于微程序设计思想的计算机控制器，它的出现极大地推动了计算机技术的发展。
本文将详细介绍微程序控制器的原理。
二、微程序控制器概述微程序控制器是指使用微指令来实现计算机指令执行的一种控制方式。
它将每个指令分解为若干个微操作，每个微操作对应一个微指令，通过按照预先设计好的微指令序列执行，从而完成对指令的执行。
与传统的硬连线控制方式相比，微程序控制器具有更高的灵活性和可编程性。
三、微程序控制器结构1. 微指令存储器微程序控制器中最重要的部分就是微指令存储器。
它用于存储所有可能需要执行的微指令，并提供地址输入和数据输出接口。
通常采用ROM或RAM作为存储介质。
2. 控制存储器在实际应用中，由于不同类型的计算机可能需要使用不同类型的指令集，因此需要使用不同类型的控制存储器来实现对不同类型指令集的支持。
同时，在某些情况下还需要使用特殊功能的控制存储器，如中断控制存储器、异常处理控制存储器等。
3. 微指令执行单元微指令执行单元是负责执行微指令的核心部分。
它包含多个功能模块，如地址生成器、ALU、寄存器等。
在执行微指令时，它会根据微指令中的操作码和操作数来进行相应的操作。
4. 外设接口外设接口用于与计算机系统中的各种外设进行通信。
它通常采用标准接口协议，并提供一定程度的可编程性。
四、微程序控制器工作原理1. 指令解码在计算机系统中，每个指令都有其特定的编码方式。
当CPU读取到一条指令时，首先需要将其解码成对应的微操作序列，并将其存储到微程序控制器中。
2. 微程序执行当CPU需要执行一条指令时，它会将当前指针所指向的微程序读取出来，并传递给微程序执行单元进行处理。
在执行过程中，微程序执行单元会根据当前微操作所对应的微指令来完成相应的操作，并返回下一个需要执行的微程序地址。
3. 微程序跳转在某些情况下，CPU需要根据特定条件来跳转到不同的微程序地址。
这时，微程序控制器会根据当前的条件码和跳转地址来计算出下一个需要执行的微程序地址，并将其返回给CPU。
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0 微操作控制部分 微转移地址
微转移
1
缺点
微转移指令将耗费一个微周期。由于微程序中的转移是频繁发 生的，这就制约了微程序的运行速度。 适合速度要求不高的计算机采用。
19
7.5.3 微程序的顺序控制
下一地址字段法
设置一个专门的字段，用来指明下一条微指令的地址
微操作控制部分 下址字段
tµop tCM CP1
CP2
取i条微指令
执行i条微指令 取i+1条 执行i+1条微指令 取i+2条 执行i+2条
27
7.5.4 微程序控制的时序
并行执行方式
CP1的上升沿：
将下地址打入µAR，启动一次读操作。
CP2上升沿的作用有两个：
将CM中读出的微指令打入µIR，开始执行微指令。 将当前微指令执行的结果打入某个寄存器。
ALU dst src
是典型的水平型微指令
14
7.5.2 微指令编码方式
字段直接编码方式
将微指令分为若干个字段，每个字段独立编码，每种编码 表示一个微命令 既可以缩短微指令字长，又保持了一定的并行操作能力 并没有导致微程序变长，仍然属于水平型微指令格式
2位 移位控制字段 00: NOP 01: SL 10: SR 11: SV 3位 运算控制字段 000：NOP 001：ADD 010：ADDC 011：SUB 100：SUBB 101：AND 110：OR 111：NOT
硬件设计简单、规整； 灵活性好，便于扩充指令。 执行速度慢
2
7.5.1 微程序控制基本原理
微程序控制的基本概念
微命令与微操作：
用来打开或关闭信息控制门的控制命令称为微命令，由微命令 控制实现的最基本操作称作微操作。
微指令：
若干个微命令的组合。通常以编码的形式存放在控存中。
微程序：
7.5 微程序控制器
7.5.1 微程序控制基本原理 7.5.2 微指令编码方式 7.5.3 微程序的顺序控制 7.5.4 微程序控制的时序
7.5.1 微程序控制基本原理
基本思想：
计算机操作可以归结为信息传递，而信息传递的关键是控 制门。控制门可以用存储器中的信息来控制，从而可用类似 于程序设计的方法来设计复杂的控制逻辑，这就是微程序控 制的基本思想。
控制存储器 CM
微指令寄存器µIR
微操作控制部分 顺序控制部分
微程序控制器的基本组成
控制存储器 CM
微地址寄存器 µAR IR
微指令寄存器µIR
微地址形成 电路 µAG
PSW
微操作控制部分 顺序控制部分
8
微程序控制器的基本组成
微地址形成电路µAG。 有三个输入
µIR的顺序控制部分 IR 控制存储器 CM 主要用于产生微程序的 入口地址，比如依据指 令的操作码形成对应各 指令执行阶段的微程序 入口地址。 µIR 微指令寄存器 PSW 在某些场合，需要根据 PSW中的状态标志决定 微操作控制部分 顺序控制部分 分支转移的微地址。
有操作数指令的 执行阶段微程序
12
7.5.2 微指令编码方式
水平型微指令
微指令的字长比较长 在一条微指令中可以产生较多的微命令 操作的并行性较高。
垂直型微指令
微指令的字长比较短 操作的并行性不高 微程序比水平型的要长
13
7.5.2 微指令编码方式
直接控制方式
微指令中微操作控制部分的每一位对应一个微命令，微命 令的产生不必经过译码，输出后直接作为微操作控制信号。 因此又称不译法。 例如将ALU和移位寄存器的控制信号用直接控制法进行组 合
分段原则
相斥性的微命令安排在同一字段，而相容性的、尤其是那些必 须同时操作的相容性微命令安排在不同字段
16
7.5.2 微指令编码方式
字段间接编码方式
微命令的产生并不是直接从一个字段译码得到，而是需要 另一个字段的编码加以解释
字段N …… 字段K …… 字段0
译码器 … 译码器 … 译码器 … …… 译码器 …
取指令微程序的入口地址 微地址寄存器 在系统复位时初始化 µAR 控制存储器 CM
RESET
微指令寄存器µIR
微地址形成 电路 µAG
IR
PSW
11
微程序控制的基本工作过程
复位
取指令微程序
双操作数指令 指令类型 单操作 数指令
无操作数指令
取源操作数 微程序
取目的操作数 微程序
无操作数指令的 执行阶段微程序
tµop tCM CP1
CP2
取i条微指令
执行i条微指令 取i+1条 执行i+1条微指令 取i+2条 执行i+2条
28
7.5.4 微程序控制的时序
并行执行方式
CP1 tµop tCM
CP2
取i条微指令
执行i条微指令 取i+1条 执行i+1条微指令 取i+2条 执行i+2条
取微指令时间tcm：从CP1的上升沿到CP2的上升沿 执行微指令时间tµop：从CP2上升沿至下一个CP2上升沿 微周期=微指令的执行时间
ARoe′
控制存储器 CM 微地 址寄 存器 µAR CP1 CP2 时序 发生
AR
ARoe IB IRce
ARce
微指令寄存器µIR
PCoe
时序 部件
微操作控制部分 顺序控制部分
IR
PC
PCce
SH
Reset PCinc PSWce
微操作信号
PSW
25
7.5.4 微程序控制的时序
串行执行方式
取微指令时间tcm：从CP1的上升沿到CP2的上升沿 执行微指令时间tµop: 从CP2的上升沿至下一个CP1的上升 沿
纯粹的下址字段法不能产生分支转移
增加转移方式字段
微操作控制部分 转移方式字段 下址字段
下址字段作为后继微地址的高位部分，指定了后继微地址 在某个区域内。 转移方式字段控制硬件逻辑测试相关状态条件，产生后继 微地址的低位部分。状态条件的不同，将产生不同的微地址， 实现两分支或多分支转移。
20
7.5.4 微程序控制的时序
控制存储器 CM
微指令寄存器µIR
微操作控制部分 顺序控制部分
5
微程序控制器的基本组成
控制存储器 CM
微地址寄存器 µAR IR
微指令寄PSW
微操作控制部分 顺序控制部分
6
微程序控制器的基本组成
微指令寄存器µIR
标志微指令执行的开始 微操作控制部分 微地址寄存器 µAR 以编码的形式存在，经 过微指令译码后形成微 操作控制信号，即微命 IR 微地址形成 令。 电路 顺序控制部分 µAG PSW 控制微指令的执行顺序， 包含了下一条微指令地 址的信息，用于形成后 继微指令的微地址。 7
tCM CP1 CP2 tµop
取i条微指令
执行i条微指令
取i+1条
执行i+1条微指令
CP1的上升沿：
将下地址打入µAR，启动一次读操作。
CP2上升沿：
将CM中读出的微指令打入µIR，开始执行微指令。
22
7.5.4 微程序控制的时序
CP1周期内CM输出不变
CP1 CP2
CP2周期内µ IR输出不变
Tµ = tµop 遇到条件微转移有可能预取失效
29
作业
7.11 7.12 7.13
30
mIR
移位控制字段
运算控制字段
译码
译码 ……
ADD ADDC
NOT
SR
SV
SL
15
7.5.2 微指令编码方式
字段直接编码方式
相斥性微命令
在一个微周期中不应该或者不可能同时出现的微命令 例如
– ALU的运算控制微命令 – 存储器的读和写
相容性微命令
可以同时出现的微命令 例如，ALU和存储器之间的微命令
完成一条微指令分为两个阶段：
取微指令（CP1）和执行微指令（CP2）
微地 址寄 存器 µAR CP1 CP2 时序 发生 PSW
控制存储器 CM
微地址形成电路 µAG
IR
微指令寄存器µIR
微操作控制部分 顺序控制部分
21
7.5.4 微程序控制的时序
串行执行方式
取微指令和执行微指令按顺序进行，在一条微指令执行完 成后，才去取下一条微指令。
SL SR SV ADD ADDC SUB SUBB AND OR NOT
特点
直观、硬件实现简单，执行速度快， 具有高度的并行操作能力。 AND 编码效率低，微指令字长很长， OR 对控存容量的需求较大，不经济， NOT 缺乏实用价值。
SHIFTER SL SR SV
ADD ADC SUB SUBB
执行i条微指令
取i+1条
执行i+1条微指令
CP1上升沿的第二个作用： 将操作结果打入某个寄存器，结束当前微周期。 CP1的上升沿既是当前微周期的结束，又是下一个微周期的 开始。
24
7.5.4 微程序控制的时序
tCM CP1 CP2 tµop
取i条微指令
执行i条微指令
取i+1条
执行i+1条微指令
tµop与组合逻辑控制方式的节拍周期的时间大体相当
– 所以组合逻辑控制比微程序控制速度更快
微周期
Tµ = tcm + ttµop
CM
tµop
CP1 CP2
取i条微指令
执行i条微指令
取i+1条
执行i+1条微指令
26
7.5.4 微程序控制的时序