目录

 

一、基本概念

 1.微程序、微指令、微命令、微操作的关系

2. 时钟周器、机器周期、指令周期、微指令周期的关系

二、微程序控制器 

1、结构

2、工作过程

三、微指令的编码方式

四微指令格式

一、基本概念

 1.微程序、微指令、微命令、微操作的关系

一条机器指令对应一个微程序，微程序是由若干条微指令构成的，微指令是由若干条微命令构成的，微命令执行的操作为微操作。
	
相容性微命令是指那些可以同时产生、共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的微命令。相容和互斥都是相对的，一个微命令和一些微命令相容，和另一些微命令互斥。
2. 时钟周器、机器周期、指令周期、微指令周期的关系

时钟周期通常称为节拍脉冲或者T周期，它是cpu处理操作的最基本单位。
	
机器周期，一般也成为CPU周期 ，一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期。 通常用内存中读取一个指令字最短的时间来规定CPU周期，取指需要一个CPU周期。
	
指令周期：指令周期是取出并执行一条指令的时间。由于各种指令的操作功能不同 ，因此各种指令周期是不尽相同的。例如。一条访内指令的指令周期，同一条非访内指令的指令周期是不同的。
	
微指令周期：在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。为了保证整个机器的控制信号的同步，可以将一个微指令周期设计的恰好和CPU周期时间相等
二、微程序控制器 

1、结构

控制存储器
	
微指令寄存器
	
微地址形成部件
	
微地址寄存器
2、工作过程

三、微指令的编码方式

四微指令格式

 

参考资料：《计算机组成原理》（第五版） 白中英著











微程序控制器的构成部分：①控制存储器（控存）、②微指令寄存器（一般分为微地址寄存器、微命令寄存器）、③地址转移逻辑（也可以称”微地址形成部件“）









A、控制存储器（控存）：
①只读存储器，是ROM；
②在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。
③一般控存的字长就是微指令字长。
④对控存的要求是：速度快，读出周期短。


B、微指令寄存器：
①存放由控存读出的一条微指令信息。
②分为微地址寄存器、微命令寄存器
③微地址寄存器：其中的内容决定将要访问的下一条微指令的地址。
④微命令寄存器：存放一条微指令的操作控制字段与判别测试字段信息。


C、地址转移逻辑（微地址形成部件）：
①一般情况下，下一条微指令的地址（简称”微地址“）由当前微指令的”顺序控制“字段直接给出。这部分信息存放在”微地址寄存器“中，也可以说是由”微地址寄存器“直接给出。
②当微程序发生分支时，下一条微地址的指令将不会是”顺序控制“字段直接给出。此时”地址转移逻辑“会根据判别测试字段（P字段）信息、执行部件的”状态条件“反馈信息、机器指令的操作码OP等信息进行综合，最终去修改”微地址寄存器“中的内容，微程序控制器会按照修改好的微地址去读取下一条指令。
所以，地址转移逻辑承担自动完成修改微地址的任务。

一、实验目的

1.掌握微程序控制器的原理；

2.掌握微程序控制器的工作过程。
二、实验设备

EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、实验内容

1利用Logisim软件分析微程序控制器的组成与工作过程；

2.在EL-JY-II型实验仪上完成微程序控制器原理实验。
四、实验步骤

1.微程序控制器原理

(1) 在Logisim中打开电路文件lab3-step1.circ中的子电路LAB3；

解：打开电路图如下



(2)列举电路图中所有的微命令以及这些微命令之间的相容性与相斥性；



解：

微命令有：“+”，“-”，“M”,“LDDR’”,“LDR1’”,“LDR2’”,“LDR3’”。
微命令之间的相容性:如LDR3与LDR1连在一根T4上。
微命令之间的相斥性：“+”与“-”直接通过三态门控制，使其相斥，即不能同时工作。
(3)分析电路图中的时钟电路并画出CLK、T1与T4信号的波形图；



解：

分析：图中T4连在一个与门上，T1连在一个或非门上，其输入连在同样的两个地址线上，由同一个时钟脉冲控制。

波形图如下


(4)分析电路图中的微控制器电路，说明电路中各个组成部分的作用。


分析电路图中的微控制器电路：

UIR中用来用来保存传输过来的指令，UAR用来保存当前cpu访问的数据的地址，Cy与P2，ADDRESS共用一个三输入的与门。
各个组成部分的作用：1.用于存储CPU现在用的数据的地址，2.用于分析地址3.用于接收地址，4.用于传输地址。
(5)请结合下面的电路，分析如何完成取指操作，并给出BCD数相加的完整微程序。


取指操作：

PC接收指令，放入指存中，对指存进行译码，IR保存现在即将取的指令，PC+1,为取下条指令做准备，指令寄存中的OP被译码，至此，取值操作结束。
BCD数相加的完整微程序：

1.在RAM中输入10e200的指令

2.在数据输入中输入0…01,给脉冲至数存入DR，在给一个数000…01，给脉冲即可完成两个数相加，结果会在R3中显示。
2.实验仪操作

参考EL-JY-II型实验仪配套的实验指导（实验四），在EL-JY-II型实验仪上完成微程序控制器原理实验。

解：实验图如下：


五、实验心得

通过这次的实验 ：让我对logism软件使用有了更深刻印象，并可以熟练运用其实现一些简单的功能，如通过导库文件利用其完成一些操作，在其中我也遇到了许多的问题，如导入库后不成功，但是通过问同学解决了，直接在缺少文件内导库即可，通过我对于实验箱上的实验对微程序的设计理解又加强了很多，并结合logism中的实验使我对其微程序的工作原理理解十分深刻。

华中科技大学-计算机组成原理





硬布线控制器
微程序控制器




逻辑
同步时序
存储


速度
快
较慢


修改难度
大
小


适用对象
RISC
CISC


微程序控制方式的基本思想

将并发信号事先存储为微指令










一条指令对应多个时钟周期


多个时钟周期安排为多条微指令


一个微指令就是一组并发的控制信号


一条机器指令对应一段微程序（多条微指令）



完成指令所需的控制信号按格式编写成微指令，存放到控制存储器（CM）。


CM可采用EPROM，有利于微程序的修改和动态微程序设计

硬布线控制器的状态等同与CM里面的微程序地址。执行指令的过程变为：

微指令格式
直接编码法


操作控制字段：每一位都代表一个控制信号

顺序控制字段：判别逻辑为0，下一条微指令地址从下址字段获取，否则按约定规则生成




优点
缺点




简单、直观
微指令字长过长，导致CM单元位数过多


执行速度快，操作并行性最好
给定的任何一个微指令中，往往只有部分位置为1，不能充分利用有效空间


字段直接编码法


微命令：控制信号

微周期：通常指从CM中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间

压缩互斥性微命令










互斥性微命令
在同一微周期中不能同时出现的微命令，如PCout，ARout，WR和RD


相容性微命令
在同一微周期中可以同时出现的微命令


互斥性微命令组合在同一字段中，设有m条微命令，互斥性字段有n位：m + 1 <= 2n

+1是什么微命令都不给出的情况，通常用全零表示

相容性微命令组合在不同字段。

微指令寄存器的输出端增加译码器，译码器的输出即为原来的微指令
后继微地址的形成

下址字段法：

下址字段指明下一条要执行的微指令地址。当一条微指令被取出时，下址字段送入μAR。相当于每一条微指令都具有转移微指令的功能。
计数器法：





顺序执行
非顺序执行




地址由μPC提供，后续微指令地址 = μPC ++
由转移微指令进行转移，当控制字段满足条件时，将转移地址字段作为下址送入μPC






下址字段法
计数器法




微指令长，CM容量大
微指令短，需要加法器


水平型和垂直型

水平型微命令：一次能定义并执行多个并行微命令的微指令
垂直型微命令



微指令中设置微操作码字段，由微操作码规定微指令的功能。用较长的微程序结构换取较短的微指令结构






水平型
垂直型




执行时间
短
较长


并行能力
好
较差


效率
高
较低


灵活性
强
较差


微指令字段
长，需要CM单元容量较大
较短


微程序结构
短
较长


用户上手难度
难
类似汇编语言，容易掌握


微程序执行的过程


根据微地址寄存器（μAR）的内容，从CM的0号单元读出一条“取指令”的微指令，送到μAR。产生有关控制信号，存储器将机器指令送往IR，并修改PC的内容。
IR中机器指令的操作码通过微地址形成这条指令对应的微程序入口地址，送入μAR。
根据μAR中微地址从CM中取出对应微程序的第一条微指令，产生有关控制信号，由顺序控制字段形成下一条微指令地址，送入μAR，重复第3步直到该机器指令的微程序执行完。
执行完一条机器指令的微程序后，返回到CM的0号微地址单元，重复第1步。

微指令的执行方式

串行执行方式（又称顺序执行方式）





第k条

第k+1条





取微执行
执行
取微执行
执行



并行执行方式（又称重叠执行方式）

在一条微指令取出并开始执行时，同时去取下一条微指令。





取微指令
执行







取微执行
执行





取微执行
执行