计算机组成原理第五章中央处理器（三）课件

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1、5.4微程序控制器5.4.1微程序控制器的由来一、组合逻辑控制器设计方法的两大缺点：（1）逻辑实现复杂（2）不易扩充和修改二、微程序设计方法的好处采用程序设计技术可以解决设计的规整性问题：将不规则的微操作命令变成有规则的微程序；利用存储逻辑概念可以解决可修改性问题。由上引出微程序设计控制器的方法，简化了控制器设计的任务，实现容易，成本较低。微程序设计控制器的实质：将组合逻辑设计中的硬件软化为微程序。三、Wilkes模型——微程序设计方法的首次提出1951年剑桥的Wilkes教授提出（针对组合逻辑的缺点、采用程序设计及存储逻辑的概念）：将机器指令分解成若干基本操作后，将有关控

2、制信息以微码形式编成微指令输入到控制存储器中；于是一条机器指令对应一个微指令序列构成的一段微程序，取出微指令就产生微命令，进而实现机器指令要求的信息传送和加工。上述思想用一篇论文的形式提出，论文题为《TheBestWaytoDesignanAutomaticCalculatingMachine》。论文主题：用一种有规则的、存储控制逻辑的方法——微程序设计方法来设计机器繁杂的控制逻辑。文中给出的设计方案叫做Wilkes模型。5.4.2微程序控制器的有关术语和概念一、微命令与微操作微命令：即微操作控制信号，是构成控制信号序列的最小单位。控制部件通过控制总线向执行部件发出的各种控制

3、命令。微操作：执行部件接受微命令后进行的操作。关系：微命令是微操作的控制信号，而微操作是微命令所控制的操作过程。二、微指令和微周期微指令：若干微命令的组合；每个微周期的操作所需的控制命令；控制存储器中每个单元存放的编码字信息。实质：把一条机器指令中一个机器周期中的微操作所需命令信息放在一条微指令中。微周期：即微指令周期，从控存中取出一条微指令并执行相应的微操作所需要的时间。微指令格式：微操作控制字段顺序控制字段微操作码字段微地址码字段三、微程序和微程序设计微程序：一系列微指令的有序集合。一段微程序常对应实现一条机器指令的功能。见下图：求解问题的算法ADDR1，R2STAM11

4、ii+1m主存┇┇┇┇┇┇┇┇┇┇ADD指令的微程序STA指令的微程序控存微程序设计（控制器）：将传统的程序设计方法运用到控制器的设计中，设计与各条机器指令相对应的微程序的过程。控制逻辑的本质是控制计算机内部的信息传送，因此也可以说微程序设计就是用类似程序设计的方法来组织的控制计算机内部的信息传送和相互联系。四、控制存储器（CM）存放微程序的存储器，又名微程序存储器，简称控存。一般用ROM存储器实现。CM每个单元存放一条微指令代码（码点）。CM字长一般远大于机器字长。CM容量取决于微指令字长和微程序总长度。计算机指令系统固定后微程序就是固定的，即CM中内容是固定的。练习：P.

5、210习题6：假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。解：共用微指令条数为4+（79X3）或80X3+1=241条；CM的容量估算为241X32（微指令长度）（位）。五、看教材P.173图5.21及P.174图5.22目的：通过例子了解相容性微操作和相斥性微操作的概念以及微指令的基本格式。1、图5.21：简单运算器数据通路（图见下页）相容性微操作：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：不能在同时或同一个CPU周期内并行执行的微操作。CyXYR1R2R346

6、8975多路开关图中哪些微操作是相斥的？哪些是相容的？图5.21+-M312ALUDR多路开关2、图5.22：微指令基本格式该图实际对应上图的数据通路，但又表示了上图中看不到的几个微命令。从该图我们主要形象认识一下微指令格式中的具体内容都有哪些。⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲⇲₮1234567891011121314151617181920212223操作控制LDR1’LDR3’R1→YR2→YR3→YMRD’LDIR’PC+1LDR2’R1→XR2→XDR→X+-LDDR’LDAR’P1P2直接地址顺序控制5.4.3微程序控制器的原理框图——Wilkes模型一

7、、模型框图微地址寄存器µAR地址译码驱动机器指令寄存器IR主存储器RAM后续微地址形成电路顺序控制字段译码…………┇CM………………微命令………状态条件……µIR微操作控制字段二、工作原理1、从CM的0号单元开始执行CM中“取机器指令”微程序，将取出的机器指令送到机器指令寄存器IR。2、IR中机器指令的操作码部分通过“后续地址形成电路”产生与该机器指令功能对应的微程序的入口地址。3、逐条执行该微程序中的微指令。4、执行完一条机器指令的微程序后，回到公用的“取机器指令”微程序（即，回到CM的0号单元）。三