微程序控制器的工作原理
Logisim平台微程序控制实验-计算机组成原理
CPU的结构与功能
结构：CPU由控制器、运算器和寄存器组成
功能：控制器负责控制计算机的运行，运算器负责执行算术和逻辑运算，寄存器负责存储数据 和指令
指令集：CPU能够执行各种指令，包括算术指令、逻辑指令、控制指令等
工作原理：CPU通过读取指令、解码指令、执行指令的循环过程，实现对计算机的控制和运算。
控制器：控制计算机的运行，包括指令的 执行和程序的控制
运算器：进行算术和逻辑运算，包括加、 减、乘、除等基本运算
存储器：存储数据和程序，包括内存和外 存
输入设备：将数据或程序输入计算机，包 括键盘、鼠标等
输出设备：将计算机的处理结果输出，包 括显示器、打印机等
总线：连接计算机的各个部件，包括数据 总线、地址总线和控制总线
实验结果分析与讨论
实验目的：验证计算机组成原理的基 本概念和原理
实验方法：使用Logisim平台进行微 程序控制实验
实验结果：成功实现计算机组成原理 的基本功能
分析与讨论：实验结果与预期相符， 验证了计算机组成原理的基本概念和 原理，为后续课程学习打下基础。
06 实验总结与展望
实验总结回顾
实验目的：掌握微程序控制的基本原理和实现方法
实验内容：设计并实现一个简单的微程序控制器
实验方法：使用Logisim平台进行模拟和验证 实验结果：成功实现了微程序控制器的功能，并对计算机组成原理有了更 深入的理解
实验收获与感悟
掌握了Logisim平台的基本操作和微程序控制的原理 提高了计算机组成原理的理解和应用能力 学会了如何分析和解决实际问题 培养了团队合作和沟通能力 提高了对计算机科学的兴趣和热情
微程序控制的优势与局限性
优势：微程序控制可以实现复杂的控制功能，提高系统的灵活性和可扩展性。 优势：微程序控制可以简化硬件设计，降低硬件成本。 局限性：微程序控制需要大量的存储空间，可能导致系统资源紧张。 局限性：微程序控制可能会导致系统响应速度降低，影响系统性能。
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(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
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。
微程序控制器的设计与实现
微程序控制器的设计与实现微程序控制器的设计原理是基于指令的操作码来进行控制的。
在计算机系统中，每个指令都有一个唯一的操作码，微程序控制器根据这个操作码来判断下一步应该执行的动作。
因此，微程序控制器的首要任务是建立一套指令操作码和对应控制动作的映射关系。
微程序控制器的设计可以分为两个阶段，即微程序的编写和微程序控制器的实现。
在微程序编写阶段，需要根据计算机系统的指令集架构和系统的需求来编写每一条指令的微程序。
在微程序控制器的实现阶段，先将每条指令的微程序编码成微指令，然后将这些微指令存储在微程序存储器中。
当执行一条指令时，微程序控制器会根据指令的操作码在微程序存储器中找到对应的微指令，并执行相应的控制动作。
微程序控制器的实现方法有多种，其中最常见的是使用ROM（只读存储器）作为微程序存储器。
ROM的每个地址存储一个微指令，可以根据操作码的位数确定ROM的大小。
此外，还可以使用RAM（随机存储器）作为微程序存储器，以便在微程序运行中修改微指令。
为了提高微程序控制器的执行效率，还可以采用流水线技术，将微程序的执行过程划分为多个阶段，并在流水线中同时执行多条指令的微程序。
微程序控制器的设计与实现对计算机系统的性能有着重要的影响。
首先，微程序控制器可以将指令执行过程分解成多个微指令，使得每个微指令只包含一个简单的控制动作，从而提高了指令执行的精确性和可靠性。
其次，微程序控制器对指令执行的控制粒度更细，可以实现更灵活的指令调度和并行处理，提高了指令级并行性。
此外，微程序控制器还可以根据指令的类型、频率和资源需求等特点，进行自适应的指令调度和资源分配，进一步提高系统的性能。
在评价微程序控制器的效果时，需要考虑其控制精确性、执行效率、资源利用率等方面的指标。
控制精确性是指微程序控制器是否能够准确执行指令的操作，以及是否能够正确处理异常情况和中断请求。
执行效率是指微程序控制器每秒钟能够执行多少条指令，衡量了微程序控制器的性能优劣。
7-5微程序控制器
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
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
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
18
7.5.3 微程序的顺序控制
增量计数器法
在顺序执行时，µAR+1
µAR也称为µPC，即微程序计数器
需要转移时，由微转移指令给出转移微地址，更新µAR 两种微指令格式
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
控制器原理与CPU组织—微程序控制器原理
5.5 微程序控制器原理
5.5.2 微程序控制器组成原理
IR PSW
地址转移逻辑
(微地址形成
状态
电路)
AR
地址译码
微命令序列
译码器
微命令字段 微地址字段 IR
控制存储器 CM
4
5.5 微程序控制器原理
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
13
5.5 微程序控制器原理
5.5.4 CPU周期与微指令周期的关系
13
5.5 微程序控制器原理
5.5.5 机器指令与微指令的关系 ☺ 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
14
5.5 微程序控制器原理
CPU方式(触发器C=0) 微指令 I/O方式(触发器C=1)
15 16 17
C = 0 QC
15 16 17
C = 1 QC’
全加器运算方式控制 通道专J用CC操’作方式控制
（4）其他编码方法
1) 微指令译码与机器指令译码复合控制
例. 机器指令
微指令
寄存器号
寄存器传A
译码器
R1
译码器
001
A门
RA 22
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
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
微程序控制器实验
得到下一条微指令地址的有关技术
主要包括：
①微程序顺序执行时，下地址为本条微指令地址加1。 ②在微程序必定转向某一微地址时，可以在微指令字中的相关字段中给出该 地址值。 ③按微指令(上一条或本条)的某一执行结果的状态，选择顺序执行或转向某 一地址，此时必须在微指令字中指明需判断的执行结果及转移地址。要判断的 执行结果，可以是运算器的标志位状态，控制器的执行状态，如多次的微指令 循环是否结束，外设是否请求中断等等。 ④微子程序的调用及返回控制，会用到微堆栈。 ⑤依条件判断转向多条微指令地址中的某一地址的控制，它可以是前述第③ 条的更复杂一点的用法，也包括依据取来的机器指令的操作码，找到对应该条 指令的执行过程的一段微程序的入口地址。这后一种情况通常被称为微程序控 制中的功能分支转移。此时在微指令字中直接给出多个下地址是不现实的或不 合理的，应找出更合理的解决方案。
用／VECT信号把通 过水平板上的开关给出 分 别 用 ／ MAP 的10位微指令的手拨地 控制器的第三 和 ／ PL两 个信 号 选 址接通到Am2910的D输 个组成成分，是 通 MAPROM 和 微 指 入端。 微程序定序器 与 Am2910 配 套 的 址 字 段 的 输要 包 括 令下地 电 路 ， 主 MAPROM和用于形成／CC信号逻辑值的条件 出 送 到 Am2910 的 D Am2910器件及其 判定线路。MAPROM被用作为指令微地址映 输入端，从而形成D 配套电路。 把 CP 接选 1 逻 辑 输入端的3 电源， 射部件，它变换指令的操作码为该指令对应的 把／CCEN接 使微 微程序段入口地址，由两片74LS2716ROM芯 功能。 指 令 地 地，使Am2910的条 址十1总是执 片组成，其地址为指令的操作码，对应单元中 件判断结果只取决于 行。 存放相应微程序段的入口地址，执行读操作， ／CC。 并用／MAP选通读出的信息，解决的是指令 功能分支问题。 把Am2910的 ／OE端接地，使其 输出Y11一Y0总保 持有效(实用Y9一YO 共10位)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微程序控制器的工作原理
微程序控制器是一种基于微处理器的控制器，它是由微指令集组成的，可以实现对计算机各个部件的控制。
微程序控制器的工作原理主要分为三个部分：微指令生成、微指令执行和微指令存储。
微指令生成是微程序控制器的核心部分，它的作用是将指令编码转换成一系列微操作，以控制计算机各个部件的工作。
微指令生成器通常采用ROM或PROM存储器，存储着一组预先设计好的微指令集。
当CPU向微程序控制器发送指令时，微指令生成器会读取相应的微指令，将其转换成一组微操作信号，以控制CPU和其他硬件设备的工作。
微指令执行是微程序控制器的另一个重要部分，它的作用是根据微指令生成器输出的微操作信号，控制计算机各个部件的工作。
微指令执行通常由微操作控制器实现，微操作控制器的作用是根据微指令生成器输出的微操作信号，控制各个硬件设备的工作。
在微操作控制器的控制下，CPU可以执行各种操作，如算术逻辑运算、存储器读写等。
微指令存储是微程序控制器的另一个重要部分，它的作用是存储微指令集。
微指令存储器通常采用ROM或PROM存储器，存储着一组预先设计好的微指令集。
当CPU向微程序控制器发送指令时，微指令生成器会读取相应的微指令，将其转换成一组微操作信号，以
控制CPU和其他硬件设备的工作。
微指令存储器的容量大小限制了微指令集的大小，越大的微指令集意味着更为复杂的控制逻辑。
微程序控制器的优点是能够灵活地控制计算机各个部件的工作，使得计算机的功能更为强大。
此外，微程序控制器的设计也非常灵活，可以根据不同需求设计不同的微指令集，从而实现不同的功能。
微程序控制器也有一些缺点，最主要的是性能较低。
由于微程序控制器需要将指令编码转换成一系列微操作，再进行控制，因此会增加一定的延迟。
此外，微程序控制器的设计也比较复杂，需要进行大量的编程和测试工作，从而增加了设计和制造成本。
微程序控制器是一种基于微处理器的控制器，它的工作原理主要包括微指令生成、微指令执行和微指令存储三个部分。
微程序控制器具有灵活、可扩展等优点，但也存在性能较低、设计复杂等缺点。
随着计算机技术的不断发展，微程序控制器的设计和应用将会得到进一步的改进和完善。