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计算机组成原理第十一讲(微程序控制器)解析.ppt 40页
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计算机组成原理第十一讲：微程序控制器设计微程序控制基本原理基本思想若干条微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令微程序事先放在控制存储器中，执行机器指令时再取出微程序控制基本原理逻辑组成微程序控制基本原理微指令格式分类垂直型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作优点：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，工作效率低水平型微指令一条微指令定义并执行几种并行的基本操作微程序控制基本原理水平型微指令优点：微程序短、执行速度快缺点：微指令长，编写微程序较麻烦混合型微指令在垂直型的基础上，增加一些不太复杂的并行操作优点：微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快微程序控制基本原理例：长城203微指令微程序控制基本原理微指令编码方法直接控制法（不译法）：微命令按位给出微程序控制基本原理直接控制法（不译法）优点：不需译码，产生微命令的速度快缺点：信息的表示效率低应用场合：微指令中通常只有个别位采用直接控制法分段直接编译法（显示编码、单重定义）定义：微命令由字段编码直接给出优点：操作唯一、编码较简单、一条微指令能同时提供若干微命令、便于组织各种微操作微程序控制基本原理微程序控制基本原理微程序控制基本原理分段间接编译法（隐式编码、多重定义）微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出设置解释位或解释字段微程序控制基本原理分类编译：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。微程序控制基本原理其他编译方法微指令译码与机器指令译码复合控制微程序控制基本原理微地址参与解释微指令代码微程序控制基本原理微地址形成方式初始微地址的形成每条机器指令由一段微程序解释执行，入口地址就是初始微地址每条机器指令都有取指操作，公用的“取指微程序”实现取指操作取机器指令：0#单元或特定的单元开始功能转移微程序控制基本原理功能转移一级功能转移微程序控制基本原理二级功能转移微程序控制基本原理用可编程逻辑阵列PLA实现功能转移微程序控制基本原理后续微地址的形成增量方式：以顺序执行为主，辅以各种常规转移方式微程序控制基本原理断定方式：由直接给定和测试断定相结合形成微地址微程序控制基本原理微程序控制基本原理优点：设计规整，设计效率高易于修改、扩展指令系统功能结构规整、简洁，可靠性高性价比高缺点：速度慢：访存频繁、转移较多执行效率不高：未充分发挥数据通路本身具有的并行能力微程序控制基本原理应用范围用于速度要求不高，功能较复杂的机器中本章小结建立CPU整机概念：逻辑组成、工作机制逻辑组成：寄存器、ALU设置和数据通路结构工作机制本章小结本章小结有关的基本概念微命令的产生方式组合逻辑控制方式：基本思想、优缺点、应用场合微程序控制方式：基本思想、优缺点、应用场合本章小结时序控制方式同步控制方式：定义、特点、应用场合异步控制方式：定义、特点、应用场合主机与外设的信息传送控制方式程序查询传送方式：定义、特点、应用场合程序中断传送方式：定义、流程、应用场合DMA传送方式：定义、流程、应用场合本章小结运算器和运算方法运算器并行进位信号和串行进位信号的生成运算方法定点加减运算浮点加减运算复习提纲CPU组成（重在数据通路结构）指令流程（寄存器传送级）、操作时间表（微命令序列）微指令设计方法（分段原则、微地址形成方法）基本概念如：同步控制与异步控制、组合逻辑控制与微程序控制、I/O传送控制方式等运算器和运算方法：进位信号生成、定点（浮点）加减运算例1.微指令D（给定）A（条件）2位位数可变微地址10位，约定：A0110微地址低4位为操作码，D给定高位；微地址低3位为机器指令目的寻址方式微地址低3位为机器指令源寻址方式6711编码，D给定高位；编码，D给定高位。716路分支8路分支8路分支例2.微指令设微地址10位，4个状态触发器T1～T4，微程序可按它们的状态转移。给定DAB后续微地址位A2位B2位条件A低位地址T2B最低位地址TT1T1指令的执行过程寄存器传送级：各类指令的流程微操作控制级：微命令序列拟定流程的关键：清楚了解数据通路结构熟练掌握基本寻址方式基本寻址方式（模型机）寄存器寻址：R寄存器间址：（R）自减型寄存器间址：-（R）-（SP）（用于入栈操作）自增型寄存器间址：（R）+（SP）+（用于出栈操作）立即寻址：（PC）+变址寻址：X（R）相对寻址：X（PC）Collegeofcomputerscience,SWPUComputerSc
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计算机组成原理 主讲：颜俊华 第十一讲：微程序控制器设计 微程序控制基本原理 基本思想 若干条微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作 若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令 微程序事先放在控制存储器中，执行机器指令时再取出 微程序控制基本原理 逻辑组成 微程序控制基本原理 微指令格式分类 垂直型微指令 一条微指令定义并执行一种基本操作 优点：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 水平型微指令 一条微指令定义并执行几种并行的基本操作 微程序控制基本原理 水平型微指令 优点：微程序短、执行速度快 缺点：微指令长，编写微程序较麻烦 混合型微指令 在垂直型的基础上，增加一些不太复杂的并行操作 优点：微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快 微程序控制基本原理 例：长城203微指令 微程序控制基本原理 微指令编码方法 直接控制法（不译法）：微命令按位给出 微程序控制基本原理 直接控制法（不译法） 优点：不需译码，产生微命令的速度快 缺点：信息的表示效率低 应用场合：微指令中通常只有个别位采用直接控制法 分段直接编译法（显示编码、单重定义） 定义：微命令由字段编码直接给出 优点：操作唯一、编码较简单、一条微指令能同时提供若干微命令、便于组织各种微操作 微程序控制基本原理 微程序控制基本原理 微程序控制基本原理 分段间接编译法（隐式编码、多重定义）
微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出 设置解释位或解释字段
微程序控制基本原理 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。
微程序控制基本原理
正在加载中，请稍后...示，同时，C_R0=1,按动START，将总线上；五、实验要求；1、在数据传送过程中，发现了什么故障？记录故障现；2、以第二种实验接线方法实现本实验要求，即存储器；图4.2总线实验接线图；实验四控制器实验；21；一、实验目的；1、掌握计算机控制器的功能、组成及其不同的结构；5、熟悉本教学计算机微程序的编制、写入，观察微程；二、实验设备；1、TWL-PCC计算
示，同时，C_R0=1,按动START，将总线上的数据打入到通用寄存器R0中。然后CS=1,C_R0=0。
五、实验要求
1、在数据传送过程中，发现了什么故障？记录故障现象,排除故障的分析思路,故障定位及故障的性质。
2、以第二种实验接线方法实现本实验要求，即存储器、I/O设备（包括输入设备和输出设备）有各自的片选线，但是共用一根读线和一根写线的方式连接实验线路，分析有什么区别，编写执行流程，写出详细的实验步骤,记录实验数据。
总线实验接线图
控制器实验
一、实验目的
1、掌握计算机控制器的功能、组成及其不同的结构。 2、掌握微程序控制器的组成、工作原理。 3、学习微程序控制器的设计与实现。 4、掌握设计指令的执行流程。
5、熟悉本教学计算机微程序的编制、写入，观察微程序的运行。
二、实验设备
1、TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 2、PC微机一台（选配）。
三、实验原理
1．控制器原理
本实验的控制器为微程序控制器。微程序控制器的基本思想可以概括为两点：
①将控制器所需要的微命令，以微代码的形式编成微指令，存入一个控制存储器中，这个控制存储器由只读存储器ROM构成。在计算机运行时，从控存中取出微指令，用其所包含的微命令来控制有关部件的操作。
②将每种机器指令分解为若干条微操作序列，用若干条微指令来解释一条机器指令。再根据整个指令系统的需要，编制出一套完整的微程序，预先存入控存中。
微程序控制器的工作原理是将一条微指令分成两部分：控制命令字段和下址字段，用微指令的控制命令字段来提供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号，用这条微指令的下址字段来指明下一条微指令在控制存储器中的地址，用于从控制存储器中读出下一条微指令。
微程序控制器的组成结构包括：控制存储器（CM）、微指令寄存器（μIR）、微地址寄存器（μAR）及后 续微地址形成电路。
2．单元电路组成
本教学计算机中的微程序控制器组成原理图如图5.1所示。其逻辑框图则如图5.2所示。该单元主要由以下部件组成：
（1）控制存储器（CM）
控制存储器（CM）由4片2816（2K×8位）EPROM组成，具有掉电保护功能，用于存放32位微指令。
每片2816的高位地址A10～A8均接地，只用A7～A0。将4片2816并联起来，就构成了容量为256×32 位控制存储器，即可以存放256条微指令。
“微控器单元”有一个三档拨动开关，用来选择控制器处于编程/校验/运行状态。“编程”状态即手动给控存写数据，“校验”状态即手动校验控存给定地址中的数据。教学计算机运行时须拨在“运行”状态。 控存的4片2816的片选信号CS分别由单片机控制单元的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5控制。平时都为有效状态，只有联机操作时上位机对控存进行读写时，会关掉所有片选，然后依次打开每片进行读写操作。而4片2816的输出使能OE、写信号WE均由编程单元电路根据编程开关的状态及联机的情况控制产生并输出，在“编程”状态时全为写有效，在“校验”状态时全为读有效，在“运行”状态时全为读有效，但当联机操作时上位机也会控制读写状态。
4片2816的存储器的地址A7～A0分别并联到一起。它们在手动编程/校验时（“编程”状态或“校验”状态）由手动微地址锁存器（74LS374）提供，它由排针MCJ1的MA7～MA0输入在T1时刻打入锁存；运行时（“运行”状态下）由微地址寄存器（μAR）提供；或联机情况下由单片机控制单元来给出。8个指示UA7～UA0等用来实时显示微地址。
控存的数据输入/输出作为32位微指令寄存器（μIR）的输入端，或由32位微代码输入开关MK31～MK0经三态门（74LS245）作为输入，三态门由编程开关电路控制，
L0WT1WT2WT3WTTNI_CRA_CRI_CiR_C2RT_C1RT_CT
NI_BCP_BDR_BSR_BPS_BRS_BULA_BF
CIAID/UPS_CCP_CDRM
/OIPCNCM0S1S2S3S图5.1
微程序控制器原理图
微程序控制器逻辑框图
编程开关处于“编程”状态时三态门打开，其他状态都关闭。同时，有32位指示灯MD31～MD0显示控存32位数据线。在联机状态下可由PC机控制单片机单元读写数据线。
（2）微指令寄存器（μIR）
微指令寄存器（μIR）为32位，分为24位的微命令寄存器和8位的微地址寄存器（μAR）合起来
构成。24位微命令寄存器由三片锁存器（74LS273）组成。8位微地址寄存器由4片2D触发器（74LS74）组成。这些锁存器的打入时钟为T2时钟锁存，清零端全接至开关组单元的总清CLR开关上。所以，当总清开关清零后，微命令寄存器及微地址锁存器都被清零。
８位微地址寄存器的输出经过一个三态门（74LS245）连接到控存的地址线上。
微指令的编码采用直接表示法和分段译码表示法相结合，微指令第M31～M17位为直接输出的控制
信号，M16～M14、M13～M11、M10～8分别用一个3：8译码器（74LS138）译出多个控制信号。微指令格式详细说明见后。
（3）指令译码及后续微地址形成电路
本实验微程序控制器的后续微地址形成方法采用功能分支转移，后续微地址直接包含在当前微指令
的代码中，即32位微指令寄存器的后8位M7～M0，然后根据取来的机器指令的操作码（锁存于指令寄存器IR中）及M10～M8的状态条件进行地址转移逻辑判断，从而找到该条指令执行过程的一段微程序的入口地址，从而实现分支转移。指令译码及微地址转移逻辑原理图如图5.3所示。
SE5. . .SE0
INTFCT4SWASWB
指令译码及微地址转移逻辑原理图
图中的I7～I4、I1、I0为指令寄存器中的相应位。TW3、TW2、TW1、TW0为用于分支转移的条件测试字，由微代码的M10～M8经3：8译码器译码得出，低电平有效。此逻辑电路的输出SE5～SE0为强制位，它们可由用户连线连接到微地址寄存器的后六位D触发器的强制1端SE5～SE0排针上（见图7.1），其状态为:不管此时此D触发器锁存的状态为“1”还是“0”，只要此D触发器的强制PRE端为低电平，就立刻将触发器锁存的状态置为“1”状态，否则则不变。由图7.3可以看出，当有一定的指令操作码，满足一定的条件测试字，在T4时刻到来时，由上述逻辑就会SE5～SE0中的一位或若干位为低电平，就会使原存在于微指令中的微地址寄存器中的一位或若干位发生强制变化为“1”，从而使后续微地址发生分支转移。 图5.3中的SWB、SWA信号为后边模型机中要用的控制台逻辑，根据它们不同的状态有不同的分支转移。IFC和INT是中断转移逻辑要用到的信号，ICF为机器指令执行完成标志，低电平有效，INT为中断允许标志，高电平有效。FC为条件转移指令中用到的进位标志。
根据以上分析，可将微程序的后继微地址的控制原理总结如下：
①当条件测试字TW0有效（TW0=0）时，根据机器指令的操作码（OP）I7―I4进行分支转移，产生该条指令的微程序入口地址。
当I7 I6 I5 I4=0 0 0 0时，SE3 SE2 SE1 SE0=1 1 1 1，对后续微地址的后四位不会产生强制，原来的后续微地址的值不变。
当I7 I6 I5 I4中一个或一个以上位为1时，相应的SE3～SE0对应位为0，同时就会对后续微地址相应位强制为1，从而使后续微地址发生改变。
例如：取完指令之后，根据TW0发生分支转移，假设后续微地址为10H。 操作码OP（I7～I4）为0000时，指令的微程序入口地址为10H； 操作码OP（I7～I4）为0001时，指令的微程序入口地址为11H； 操作码OP（I7～I4）为0101时，指令的微程序入口地址为15H； 操作码OP（I7～I4）为1011时，指令的微程序入口地址为1BH。 ②当条件测试字TW1有效（TW1=0）时，根据机器指令码I1 I0进行译码，转移至相应指令的微程序段，主要应用于含寻址方式码（MOD）的机器指令，在这些指令中，I5I4为寻址方式码（MOD），I7I6和I1I0为操作码OP。
③当条件测试字TW2有效（TW2=0）时，根据进位标志进行转移，主要应用于条件转移指令JC。
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