模型机微程序控制器

目录

1. 基本思想

2. 微程序的存储模式

3. 微程序控制器的逻辑组成

（1）控制存储器 CM

（2）微指令寄存器 μIR

（3）微地址形成电路

（4）微地址寄存器 μAR

4. 微程序的执行过程

5. 微程序控制方式的优缺点

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微命令：控制各功能部件的电平信号和脉冲信号。

模型机控制器逻辑的设计方式：

• 组合逻辑控制方式
• 微程序控制方式

试分析组合逻辑控制器与微程序控制器的主要特点及两者的差别。

前者采用组合逻辑电路来产生微命令，后者采用微程序控制方式来产生微命令。

1. 速度不同。前者快，后者慢。
2. 扩展难易程度不同。前者难扩展，后者易扩展。
3. 前者结构复杂，设计不太规整；后者结构得到简化，设计规整。

1. 基本思想

机器指令、微程序、微指令、微命令：

• 一条机器指令的执行对应一段微程序
• 一段微程序可包含多条微指令（μI）
• 一条微指令包含机器指令一步操作所需的微命令

微程序控制的基本思想可归纳为：

(1) 将微命令以代码形式编制成微指令，并事先固化在控制存储器 CM 中。

(2) 将一条机器指令分解成多步操作，将每步操作所需的各种微命令按固定格式进行编码，并存储成一条微指令，多条微指令构成一段微程序，这段微程序对应一条机器指令。

微指令的编码规则 —— 分段直接编码法

以功能聚合（通常是控制同一个功能部件）为依据，将同类操作中互斥的微命令归为一组，因此可以将每步操作对应的全部控制信号分成若干组段，各段独立定义编码的含义，再将组段中的各种控制信号编码成一组互斥的微指令代码。

一条机器指令的执行对应一段微程序，一段微程序包含多条微指令，这些微指令存储在 CM 中。

2. 微程序的存储模式

3. 微程序控制器的逻辑组成

（1）控制存储器 CM

功能：用于存放整个指令集对应的微程序。每个存储单元存放一条微指令，可控制一步微操作。

CM 是一种只读存储器（ROM），微程序固化其中，CPU 执行指令时控制系统中对 CM 只读不能写，以确保存储的微程序不被破坏。

CM 在 CPU 的内部，是控制器的一部分。CPU 和用户都不可访问，只有控制器可以访问。

（2）微指令寄存器 μIR

功能：用于存放现行微指令。

• 微命令字段：提供某机器指令一步操作所需的微命令。
• 顺序控制字段：指明后续微地址的形成方式，用于控制微程序的连续执行。

（3）微地址形成电路

微地址的形成依据：

• 现行微指令地址
• 微程序转移地址 —— 微程序的入口地址
• 现行微指令的顺序控制字段，决定形成方式
• 机器指令有关代码：操作码、寻址方式
• 机器运行状态

（考填空题）微地址的形成方式：增量方式和断定方式。

① 增量方式

增量方式（顺序执行 + 转移方式）

与普通程序的顺序控制方式相似，增量方式以顺序执行为主，配合各种常规转移方式。

常见的增量方式如下：

② 断定方式

断定方式是一种直接给定微地址与测试判定微地址相结合的方式。

为了实现多路分支，将微地址的若干低位作为可判定的部分，相应地在微指令的顺序控制字段中设置或注明判定条件，即微地址低位段的形成条件。

由于分支路数有限，不需将微地址的所有位都作为可断定的，因此只需断定形成有限的低位段，而直接给定高位部分。

注意：断定条件不是低位微地址本身，它只是指明低位微地址的形成条件。

（4）微地址寄存器 μAR

功能：用于存放下一条微指令在 CM 中的地址，即微地址。

4. 微程序的执行过程

 初始微地址 μAR = 00H

1. 执行取指微指令，将取得的机器指令送入 IR 中
2. 转微程序入口：形成取指结束以后的第一条微指令，并送入 μIR 中
3. 执行第一条微指令
4. 取后续微指令并送入 μIR 中
5. 执行后续微指令
6. 一段微程序执行完毕，返回 CM 取指微指令 —— 取下一条机器指令

5. 微程序控制方式的优缺点

① 大量使用了规整的存储逻辑代替了不规整的、复杂的硬连线逻辑，使控制系统的结构得到简化，有利于设计自动化。

② 控制系统易于修改、控制灵活、通用性强。在数据通路结构不变的前提下，外围电路只跟机器指令和微指令的格式有关，因此可以只通过修改微程序中的相关微指令，就能改变指令的执行方式，也可以通过增加新的微程序来确保控制系统对扩展指令的支持，甚至可用整体替换微程序来更换指令集。

③ 适用系列机的控制系统。

④ 可靠性较高，易于诊断和维护。

⑤ 机器指令执行速度较慢，平均 CPI 较大。

⑥ 控制系统的硬件成本大。