【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 序： 中央處理器 微程序： 中央處理器 中央處理器 微程序： 實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令功能的 若干條微指令組成的序列。 既然微程序是由微指令組成的，那么當(dāng)執(zhí)行當(dāng)前 一條微指令時(shí)，必須指出后繼微指令的地址，以便當(dāng) 前一條微指令執(zhí)行完畢后，取出下一條微指令。 形成后繼微指令地址的方法有多種。 演示 微程序控制器原理框圖 中央處理器 它主要由 控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器 和 地址轉(zhuǎn)移邏輯 三大部分組成。 微程序控制器原理框圖請(qǐng)參見(jiàn) CAI演示 。 控制存儲(chǔ)器用來(lái)存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序 , 它是一種只讀存儲(chǔ)器。一旦微程序固化，機(jī)器運(yùn)行時(shí) 則只讀不寫(xiě)。其工作過(guò)程是： 每讀出一條微指令，則 執(zhí)行這條微指令；接著又讀出下一條微指令，又執(zhí)行 這一條微指令 …… 。 “ 讀出一條微指令并執(zhí)行該微指令的時(shí)間總和 ”稱(chēng) 為一個(gè) 微指令周期 。通常，在串行方式的微程序控制 器中，微指令周期就是只讀存儲(chǔ)器的工作周期?？刂? 存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)就是微指令字的長(zhǎng)度，其存儲(chǔ)容量視機(jī) 器指令系統(tǒng)而定，即取決于微程序的數(shù)量。對(duì)控制存 儲(chǔ)器的要求是速度快，讀出周期要短。 中央處理器 微指令寄存器（ 181。IR） 用來(lái)存放由控制存儲(chǔ)器讀 出的一條微指令信息。其中微地址寄存器 (181。AR)決定 將要訪(fǎng)問(wèn)的下一條微指令的地址，而微命令寄存器則 保存一條微指令的操作控制字段和判別測(cè)試字段的信 息。 中央處理器 在一般情況下，微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接 給出下一條微指令的地址，通常我們簡(jiǎn)稱(chēng) 微地址 ，這 個(gè)微地址信息送入微地址寄存器 181。AR中。如果微程序 不出現(xiàn)分支，那么下一條微指令的地址就直接由 181。AR 給出。 當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，意味著微程序出現(xiàn)條件轉(zhuǎn) 移。在這種情況下，通過(guò)判別測(cè)試字段 P和執(zhí)行部件 的 “ 狀態(tài)條件 ” 反饋信息，去修改微地址寄存器 181。AR的 內(nèi)容，并按改好的微地址去讀下一條微指令。這一功 能就由 地址轉(zhuǎn)移邏輯 來(lái)承擔(dān)，其可以根據(jù)轉(zhuǎn)移條件， 自動(dòng)完成修改微地址的任務(wù)。 中央處理器 微程序舉例 中央處理器 下面以 “ 十進(jìn)制加法 ” 指令為例，具體看一看微程序控制的過(guò)程。 首先注意如下兩點(diǎn)解釋?zhuān)? 十進(jìn)制加法算法 由前面討論的 “ 加 6校正法 ” 已知，兩個(gè) BCD碼十進(jìn)制數(shù)位相 加，要實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制相加，必須進(jìn)行 “ 加 6校正 ” 。由此可推知如下 十進(jìn)制加法算法： 設(shè)：被加數(shù)為 A，加數(shù)為 B， （ 1）先做 （ S=A+B+6） 運(yùn)算，然后判斷進(jìn)位標(biāo)志 Cy； （ 2）若 Cy=1（有進(jìn)位），則表示本位結(jié)果正確（向高位有 進(jìn)位）；若 Cy=0（無(wú)進(jìn)位），則表示本位計(jì)算 加 6后的結(jié)果不 對(duì)，做（ S6）運(yùn)算，恢復(fù)原來(lái)正確的結(jié)果（ S39。=A+B）。 關(guān)于 P P2測(cè)試的約定 中央處理器 （ 1） P1測(cè)試的約定：若 P1=1，則進(jìn)行 P1測(cè)試：將 機(jī)器指令的操作碼 OP作為下一條微指令的地址。 （ 2） P2測(cè)試的約定： 若 P2=1，則進(jìn)行 P2測(cè)試： 根據(jù)進(jìn)位 Cy的狀態(tài)，決定下一條微指令的地址。 若 Cy=1，則當(dāng)前微指令給出的后繼地址 0000就是 下一條微指令的地址； 若 Cy=0，則下一條微指令的地址為 0001（要執(zhí)行 S6運(yùn)算）。 具體參見(jiàn) CAI演示 中央處理器 實(shí)現(xiàn) “ 十進(jìn)制加法 ” 的微程序的各條微指令編碼如下： 第一條微指令的二進(jìn)制編碼是： 000 000 000 000 11111100000 第二條微指令的二進(jìn)制編碼是： 010 100 100 100 00000001001 第三條微指令的二進(jìn)制編碼是： 010 001 001 100 00000010000 第四條微指令的二進(jìn)制編碼是： 010 001 001 001 00000000000 可見(jiàn) ：微程序控制實(shí)質(zhì)上是將一條機(jī)器指令的執(zhí)行分解成 若干步，每一步都由一條微指令來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的微命令來(lái)加以實(shí) 現(xiàn)。即：一條機(jī)器指令的執(zhí)行，是通過(guò)執(zhí)行一個(gè)對(duì)應(yīng)的微程序 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 CPU周期與微指令周期的關(guān)系 中央處理器 通常，在串行方式的微程序控制器中 : 微指令周期 = 讀出微指令的時(shí)間 + 執(zhí)行該條微指令的時(shí)間 （與指令周期的定義類(lèi)似） 例：下圖給出了某小型機(jī)中 CPU周期與微指令周期的時(shí)間關(guān)系：（ 教材 P177） 中央處理器 設(shè)：一個(gè) CPU周期為 ，它包含四個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖 T1—T4，每個(gè)脈沖寬度為 200ns。用 T4作為讀取微指令的時(shí)間，用 T1+T2+T3時(shí)間作為執(zhí)行微指令的時(shí)間。例如，在前 600ns時(shí)間內(nèi)運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，在 600ns時(shí)間的末尾運(yùn)算器已經(jīng)運(yùn)算完畢，可用 T4上升沿將運(yùn)算結(jié)果打入某個(gè)寄存器。與此同時(shí)可用 T4間隔讀取下條微指令，經(jīng) 200ns時(shí)間延遲，下條微指令又從只讀存儲(chǔ)器讀出，并用 T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽略觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)延遲，那么下條微指令的微命令信號(hào)就從 T1上升沿起就開(kāi)始有效，直到下一條微指令讀出后打入微指令寄存器為止。因此一條微指令的保持時(shí)間恰好是 ，也就是一個(gè) CPU周期的時(shí)間。 CPU周期 CPU周期 T1 T2 T3 T4 200ns 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系 中央處理器 一會(huì)兒取機(jī)器指令，一會(huì)兒取微指令，它 們之間到底是什么關(guān)系 ? 中央處理器 1. 一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由若干條 微指令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微 指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完成的操 作劃分成若干條微指令來(lái)完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。 2. 從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一 對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，前者與內(nèi)存儲(chǔ)器有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有 關(guān)。與此相關(guān)，也有相對(duì)應(yīng)的硬設(shè)備，請(qǐng)參見(jiàn) CAI演示 。 3. 在本章 ，曾討論了指令周期與機(jī)器周期概念，并 歸納了五條典型指令的指令周期 ,并演示了這五條指令的微程序流 程圖， 每一個(gè) CPU周期就對(duì)應(yīng)一條微指令 。這就告訴我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì) 微程序，也將使我們進(jìn)一步體驗(yàn)到機(jī)器指令與微指令的關(guān)系。 中央處理器 【 例 2】 設(shè)某計(jì)算機(jī)運(yùn)算器框圖如圖 (a)所示，其 中 ALU為 16位的加法器 (高電平工作 )， SA,SB為 16位 暫存器。 4個(gè)通用寄存器由 D觸發(fā)器組成， Q端輸出， 其讀、寫(xiě)控制功能見(jiàn)下表。 讀控制 寫(xiě)控制 R RA0 RA1 選擇 W WA0 WA1 選擇 1 0 0 R0 1 0 0 R0 1 0 1 R1 1 0 1 R1 1 1 0 R2 1 1 0 R2 1 1 1 R3 1 1 1 R3 0 不讀出 0 不寫(xiě)入 中央處理器 中央處理器 機(jī)器采用串行微程序控制方式，其微指令周期見(jiàn)圖 (b)。 其中讀 ROM是從控存中讀出一條微指令時(shí)間，為 1μs； ALU 工作是加法器做加法運(yùn)算，為 500ns； m1是讀寄存器時(shí)間，為 500ns； m2是寫(xiě)寄存器的工作脈沖寬度，為 100ns。 中央處理器 已知微指令字長(zhǎng) 12位，微指令格式如下： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 RA0 RA1 WA0 WA1 R W LDSA LDSB SBALU SBALU Reset ~ 讀 R0R3的選擇控制；具體定義見(jiàn)表 寫(xiě) R0R3的選擇控制；具體定義見(jiàn)表 寄存器讀命令；具體定義見(jiàn)表 寄存器寫(xiě)命令；具體定義見(jiàn)表 打入 SA的控制信號(hào)； 打入 SB的控制信號(hào)； 傳送 SB的控制信號(hào)； 傳送 SB的控制信號(hào)； 并使加法器的最低位加 1 清暫存器 SB為零的信號(hào)； 一段微程序結(jié)束，轉(zhuǎn)入取機(jī)器指令的控制信號(hào)。 要求 (1)“ADD R0， R1”指令，即 (R0)+(R1)→R1 (2)“SUB R2， R3”指令，即 (R3)(R2)→R3 (3)“MOV R2， R3”指令，即 (R2)→(R3) 中央處理器 【 解 】 ： 先畫(huà)出三條指令的微指令的微程序流程圖，如下圖所示。 中央處理器 其中未考慮 “ 取指周期 ” 和順序控制問(wèn)題，也即微程序僅考慮 “ 執(zhí)行周期 ” ，微指令序列的順序用數(shù)字標(biāo)號(hào)標(biāo)在每條微指令的 右上角。每一框表示一條微指令。 根據(jù)給定的微指令周期時(shí)間關(guān)系，完成 ADD， SUB指令的執(zhí) 行動(dòng)作需要 3條微指令， MOV指令只需 2條微指令。 按照已知的微指令格式： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 RA0 RA1 WA0 WA1 R W LDSA LDSB SBALU SBALU Reset ~ ADD指令的執(zhí)行過(guò)程包括： R0→ SA， R1→ SB， SA+SB→R 1 00 10100000 01 10010000 0101001001 因此，執(zhí)行 ADD R0， R1的三條微指令為： 1. 00 10100000 2. 01 10010000 3. 0101001001 中央處理器 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 RA0 RA1 WA0 WA1 R W LDSA LDSB SBALU SBALU Reset ~ SUB指令的執(zhí)行過(guò)程包括： R3→ SA， R2→ SB， SASB→R 3 11 10100000 10 10010000 1101000101 因此，執(zhí)行 SUB R2， R3的三條微指令為： 1. 11 10100000 2. 10 10010000 3. 1101000101 中央處理器 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 RA0 RA1 WA0 WA1 R W LDSA LDSB SBALU SBALU Reset ~ MOV指令的執(zhí)行過(guò)程包括： R2→ SA， 0→ SB； SA+SB→R 3 1101001001 因此，執(zhí)行 SUB R2， R3的三條微指令為： 1. 10 10100010 2. 1101001001 10 10100010 中央處理器 設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)是： (1) 有利于縮短微指令字的長(zhǎng)度； (2) 有利于減小控制存儲(chǔ)器的容量； (3) 有利于提高微程序的執(zhí)行速度； (4) 有利于對(duì)微指令的修改； (5) 有利于提高微程序設(shè)計(jì)的靈活性。 微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 微命令編碼 微地址的形成方法 微指令格式 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì) 中央處理器 微命令編碼 中央處理器 已知：微指令的一般格式為： 微命令編碼 (即：操作控制字段設(shè)計(jì)方法） : 對(duì)微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通 常有以下 三種方法 ： 操作控制字段 順序控制字段 中央處理器 其特點(diǎn)是 : 操作控制字段中的每一位代表一個(gè) 微命令 (如前例所述 ）。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀(guān)，其輸出直接用于控 制。缺點(diǎn)是微指令字較長(zhǎng)，因而使控制存儲(chǔ)器容量較 中央處理器 編碼表示法 : 是把一組 相斥性 的微命令信號(hào) 組成 一個(gè)小組 (即一個(gè)字段 ) ，然后通過(guò)小組 (字段）譯碼 器進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生所對(duì)應(yīng)的微命令信號(hào)，即：譯碼輸 出作為操作控制信號(hào)。 其對(duì)應(yīng)的微指令結(jié)構(gòu)如下圖所示。 中央處理器 采用字段譯碼的編碼方法，可以用較小的二進(jìn)制 信息位表示較多的微命令信號(hào)。例如： 3位二進(jìn)位譯 碼后可表示 7個(gè)微命令， 4位二進(jìn)制位譯碼后可表示 15 個(gè)微命令。 與直接表示法相比，編碼表示法可使微指令字大 大縮短。但由于增加譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度 稍稍減慢。目前在微程序控制器設(shè)計(jì)中，字段直接譯 中央處理器 混合表示法： 是把直接表示法與字段編碼法混 合使用，以便綜合考慮指令字長(zhǎng)、靈活性、微程序執(zhí) 另外 ： 在微指令設(shè)計(jì)中，還可附設(shè)一個(gè)常數(shù)字段。該常數(shù)可作為操作數(shù)送入 ALU運(yùn)算，也可作為計(jì)數(shù)器初值用來(lái)控制微程序循環(huán)次數(shù)等。 微地址的形成方法 順序控制字段 的設(shè)計(jì)方法