微程序设计武大计算机考研资料.ppt

计算机原理 第六章 中央处理器 本讲简要说明 目的与要求：掌握微程序设计 授课重点：微程序设计 授课难点：如何设计微程序 阅读章节：教材6.3 6.4节 《Computer Organization and Design》第5章第5节 主 要 内 容 微程序设计控制器的基本思想 微程序、微指令、微操作和微命令的概念及其关系 微指令格式设计 微操作码字段 水平微程序：不译法、字段直接编译法、字段间接编译法 垂直微程序：垂直编译法（最短编码法） 下条微指令地址确定方式 增量法（计数器法） 断定法（下址字段法） 硬连线路设计 硬连线路设计的特点 优点：速度快，适合于简单或规整的指令系统 如，MIPS指令集 缺点：是一个多输入/多输出的巨大逻辑网络 对于复杂指令系统来说，结构庞杂，实现困难；修改、维护不易；灵活性差。甚至无法用有限状态机描述！ 1951年，Wilkes提出了微程序控制的基本思想 提出一种控制器设计的系统化方法 1953年， Wilkes给出了微程序工作模型，称为Wilkes模型 1965年，IBM 360系列机成功采用了微程序技术。第一次提出系列计算机的概念，该系列有大、中、小型计算机，不同型号的机器在程序指令的层次上互相兼容 1965年，IBM 360系列机都采用了微程序技术 Wilkes模型 微程序设计 微程序控制器的基本思想 仿照程序设计的方法，编制每个指令对应的微程序 每个微程序由若干条微指令构成，各微指令包含若干条微命令 (一条微指令相当于一个状态，一个微命令就是状态中的控制信号) 所有指令对应的微程序放在只读存储器中，执行某条指令时，取出对应微程序中的各条微指令，对微指令译码产生对应的微命令，这个微命令就是控制信号 只读存储器称为控制存储器(Control Storage/Control Memory)，简称控存(CS/CM) 微程序控制器的基本结构 输入：指令、条件码 输出：控制信号(微命令) 核心：控存CS μPC：指出将要执行的微指令在CS中的位置 μIR：正在执行的微指令 每个时钟执行一条微指令 微程序第一条微指令地址由起始地址发生器产生 顺序执行时， μPC+1 转移执行时，由控制转移字段指出对哪些条件码进行测试，转移地址发生器根据条件码修改μPC 微程序的有关概念 微指令 将指令执行微操作序列中一个节拍内同时完成的微操作用控制位构成的二进制代码串来表示 构成一条指令的一组微操作，可用一组微指令来描述 微程序 构成一条指令的微指令序列 微指令序列 ＝ 微程序 一条机器指令对应一段微程序 控制存储器 存放微程序的存储器 将所有指令对应的微程序保存在该存储器中 微程序的有关概念 微命令 微操作的控制信号 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令 微操作 执行部件接受微命令后所进行的最基本操作 相容微操作 指在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作 不相容（互斥）微操作 指不能在同时或同一个CPU时钟周期内并行执行的微操作 第一个问题：微指令格式的设计 第一个问题：微指令格式的设计 微命令产生不必译码，从操作控制字段直接得到，即每一个微命令用一位信息表示 多周期数据通路对应的微操作码 将微操作控制字段划分为若干小字段，每个小字段单独编码，每段码点表示一种微命令，每段经译码后发出控制信号 某些参与编码的微命令不能由一个控制字段直接定义，而需要两个或两个以上的控制字段来定义。即：一个微命令字段可以表示多个微命令组，到底代表哪一组微命令，则由另一个专门的字段来确定 最短编码 将所有微命令统一二进制编码，每条微指令只包含一个微命令，通过译码器产生微操作控制信号 例：某机的微指令格式中，共有8个控制字段，每个字段可分别激活5、8、3、16、1、7、25、4种控制信号，分别采用直接编码和字段直接编码方法设计微指令的微操作字段，并说明两种方式的操作控制字段各取几位。 垂直型微指令举例 例：某微程序控制器中，采用水平型直接控制（编码）方式的微指令格式，后续微指令地址由微指令的下地址字段给出。已知机器共有28个微命令、6个互斥的可判定的外部条件，控制存储器的容量为512 ? 40位。试设计其微指令格式。 例：某机共有52个微操作控制信号，构成5个相斥的微命令组，各组分别包含5、8、2、15、22个微命令。已知可判定的外部条件有两个，微指令字长28位。 (1) 按水平型微指令格式设计微指令，要求微指令的下地址字段直接给出后续微指令地址。 (2) 指出控制存储器的容量。 第二个问题：下条微地址的确定方式 什么是微程序执行顺序的控制？ 指在现行微指令执行完毕后，怎样控制产生下一条微指令的地址 怎样控制微程序的执行顺序？ 在微指令中明显或隐含地指定下条微指令在控存中的地址来控制 微指令地址