计算机组成原理--中央处理器CPU
5.4微程序控制器 微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的采用，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。 微程序控制技术的优点：灵活性、可靠性、可利用性、可维护性、有利于机器设计时的仿真； 比较：与组合逻辑控制方法相比，微程序控制方法在诸多方面有着显著的差别 (1)?? 从实现方式上 微程序控制：规整，增、删、改较容易； 组合逻辑控制：零乱且复杂，当修改指令或增加指令时非常麻烦，有时甚至没有可能。 (2)?? 从性能上来比较 在同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比组合逻辑控制方式的速度低，这是因为执行每条微指令都要从控存中读取一次，影响了速度，而组合逻辑控制方式取决于电路延迟，因而在超高速计算机中，对影响速度的关键部分例如CPU，往往采用组合逻辑控制方法。近年来在一些新型计算机结构中如RISC结构，一般选用组合逻辑方法。 (3)诊断能力 微程序设计方法：诊断能力强 组合逻辑控制：诊断能力弱 5.4. 1微程序控制器的基本原理 微程序控制的基本思想：把每条机器指令的所有微操作信号以二进制形式放到只读存储器中，当执行到某条机器指令时，将其对应的微操作信号序列从只读存储器读出，从而产生机器所需的各种操作信号，使相应部件执行所规定的操作。 一、基本概念 1．微命令和微操作 控制部件与执行部件之间的联系： ① 控制命令 方向是从控制部件发往执行部件 控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令；而执行部件接受微命令后所进行的操作，叫做微操作。 ② 反馈信息 方向是从执行部件送往控制部件 控制部件与执行部件之间的另一种联系是反馈信息。执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况，以便使控制部件根据执行部件“状态”来下达新的微命令，这也叫做“状态测试”。 微操作在执行部件中是最基本的操作。微操作可分为两种： 相容性微操作：指在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作； 相斥性微操作：指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。 2. 微指令和微程序 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。一般由操作控制和顺序控制两大部分组成。 一条机器指令(例如 MOV、ADD等)的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序。 微程序也称“固件” 微指令的基本格式如下： 例如： 是一种微指令的表示格式； 例:微指令110000000010表示发出BUS->AR,READ两个微命令，下条微指令的地址是0010；而微指令101100000011表示发出BUS->AR,WRITE,BUS->DR三个微命令，下条微指令的地址是0011; 机器指令与微指令的关系： ①每条机器指令对应一个微程序，这个微程序由若干条微指令构成； ②机器指令、程序(?)、内存单元地址与内存储器(在CPU外部)有关；而微指令、微程序、微地址(微指令的存储单元的地址)与控制存储器CM(在CPU内部)有关； ③每条机器指令的执行需要若干个CPU周期，而每个CPU周期对应一条微指令； 3.微周期 微周期就是从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需要的时间 有并行执行方式和串行执行方式的微周期； 二、微程序控制器的基本原理 微程序控制器组成原理框图如下：由四部分构成： 1)控制存储器 用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型存储器。CM的字长就是微指令字的长度； 2)微指令寄存器： 微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令的操作控制字段和判别测试字段(P字段)的信息；而微指令的下址字段被送到微地址寄存器μAR中； 3)地址转移逻辑 地址转移逻辑就是通过判别P字段和状态条件，自动完成修改微地址的任务； 4)微地址寄存器 μAR 微地址寄存器在接收微指令时，直接存放微指令的下址字段，在微指令执行中，如果需要转到另外的微地址，则微地址寄存器的内容将被修改； 微程序控制器的工作过程 微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制之下，计算机执行机器指令的过程： 1、从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作； 2、根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口； 3、逐条取出微指令，完成相关微操作控制； 4、执行下一条机器指令。 5.4.2 微命令的编码 微命令的编码，就是对微指令中操作控制字段采用的表示方法； 微指令的设计，所追求的目标是： (1)减少微指令的长度； (2)减少控制存储器的容量； (3)提高微程序的执行速度； (4)有利于对微指令的修改； (5)有利于微程序设计的灵活性。 为了