【组成原理-处理器】微程序控制器
1 易混淆的几个概念
- 微操作：一条机器指令可分解为多条微操作。
- 微命令：控制部件向执行部件发出的控制命令。这些命令导致执行部件执行微操作。
微命令和微操作是一一对应的：微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的执行过程。
- 微指令：若干微命令的集合。
- 微程序：若干微指令的集合。
粒度大小：微命令&微操作 < 微指令 < 微程序
- 微周期：从控制存储器（CM）读取一条微指令并执行相应微操作所需的时间。
2 微指令的设计
2.1 水平型微指令
水平型微指令：一条微指令能定义多个可并行的微命令。
（1）优缺点：
- 优点：微程序短，执行速度快。
- 缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。
（2）格式：
| 操作控制（微操作码） | 顺序控制（微地址码/下地址） | 顺序控制（微地址码/下地址） |
|---|---|---|
| A1, A2, A3,...,An | 判断测试字段 | 后继地址字段 |
下面来讨论水平型微指令的编码方式。
2.1.1 直接编码（直接控制）方式
在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令，某位为“1”表示该控制信号有效。
（1）格式：
| 操作控制（控制信号） | 下地址 |
|---|---|
| 1 0 1 0 0 ... 0 1 | ~ |
（2）优缺点：
- 优点：简单、直观，执行速度快，操作并行性好。
- 缺点：微指令字长过长，n 个微命令就要求微指令的操作字段有 n 位，造成控存容量极大。
2.1.2 字段直接编码方式
将微指令的控制字段分成若干“段”，每段经译码后发出控制信号。
（0）两个概念：
- 相容性微命令：可以并行完成的微命令。
- 互斥性微命令：不允许并行完成的微命令。
（1）原则：
- 互斥性微命令位于同一段内，相容性微命令位于不同段内。
- 每个小段中包含的信息位不能太多。
- 每个小段需留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。通常用 000 表示不操作。
例：当某字段的长度为 3 位时，最多只能表示 7 个互斥的微命令，用 000 表示不操作。
（2）格式：
| 操作控制 1 | 操作控制 2 | 操作控制 3 | 操作控制 4 | 下地址 |
|---|---|---|---|---|
| 1 0 1 | 0 0 1 | 1 0 0 | 0 1 0 | ~ |
（3）优缺点：
- 优点：可以缩短微指令字长。
- 缺点：要通过译码电路后再发出微命令，因此比直接编码方式慢。
相关例题
【例】某计算机的控制器采用微程序控制方式，微程序中操作控制字段采用字段直接编码法，共有 33 个微命令，构成 5 个互斥类，分别包含 7、3、12、5 和 6 个微命令。问一共需要几位操作控制位？
【解】这 5 个互斥类实际包含的状态数为 8、4、13、6 和 7 个，因为 8 = 23, 4 = 22, 13 < 24, 6 < 23, 7 < 23，所以需要的位数分别为 3,2,4,3,3，操作控制位一共需要 3+2+4+3+3=15 位。
2.1.3 字段间接编码方式
一个字段的某些微命令需由另一个字段中的某些微命令来解释，由于不是靠字段直接译码发出的微命令，故称为字段间接编码，又称隐式编码。
优缺点：
- 优点：可进一步缩短微指令字长。
- 缺点：削弱了微指令的并行控制能力，故通常作为字段直接编码方式的一种辅助手段。
2.2 垂直型微指令
垂直型微指令：一条微指令只能定义一个微命令，由微操作码字段规定具体功能。
（1）优缺点：
- 优点：微指令短、简单、规整，便于编写微程序。
- 缺点：微程序长，执行速度慢，工作效率低。
（2）格式：
| 微操作码 | 目的地址 | 源地址 |
|---|---|---|
| uOP | Rd | Rs |
2.3 混合型微指令
混合型微指令：在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作。微指令较短，仍便于编写；微程序也不长，执行速度加快。
3 微程序控制器的工作原理
3.1 微程序控制器的组成
- 微地址形成部件：产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。
- 控制存储器（CM）：用于存放各指令对应的微程序，控制存储器可用只读存储器 ROM 构成。
- 微地址寄存器（CMAR，uPC）：又称为微指令计数器，用于存放控制存储器（CM）的下一条微指令的地址。
- 微指令寄存器（CMDR，uIR）：用于存放从控制存储器（CM）中读出的微指令。
控制存储器（CM）怎样存储微指令？
- 取指周期微程序：通常是公用的，故如果某指令系统中有 n 条机器指令，则 CM 中微程序的个数至少是 n+1 个。
- 间址周期微程序、中断周期微程序：一些早期的 CPU、物联网设备的 CPU 可以不提供间接寻址和中断功能，因此这类 CPU 可以不包含间址周期、中断周期的微程序段。
- 执行周期：不同指令的执行周期微程序。
【注意】物理上，取指周期、执行周期看起来像是两个微程序，但逻辑上应该把它们看作一个整体。因此，一般我们认为“一条指令对应一个微程序”！
相关例题
【例 1】某带中断的计算机指令系统共有 101 种操作，采用微程序控制方式时，控制存储器中相应最少有几个微程序？
【解】取指周期微程序 1 个，中断周期微程序 1 个，执行周期微程序 101 个，一共 103 个微程序。
【例 2】通常情况下，一个微程序的周期对应一个（ ）
A. 指令周期
B. 主频周期
C. 机器周期
D. 工作周期
【解】如果将“一个微程序”理解为“一个周期的微程序”，则对应的周期应为机器周期，选 C；而如果将“一个微程序”理解为“一条指令的微程序”，即上文所述的，通常情况下，“一条指令对应一个微程序”，则对应的周期应为指令周期，选 A，可见此题有歧义。不过幸运的是，统考一般不会出现这种带有歧义性的题目，但是一旦出现了，最好还是选 A。
3.2 微指令的地址形成
- 微指令的下地址字段指出：微指令格式中设置一个下地址字段，由微指令的下地址字段直接指出后继微指令的地址，这种方式又称为断定方式。
- 根据机器指令的操作码形成：当机器指令取至指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成。
- 增量计数器：(CMAR) + 1 --> CMAR
- 分支转移
- 测试网络
- 由硬件产生微程序入口地址
相关例题
【例】某计算机采用微程序控制器，共有 32 条指令，公共的取指令微程序包含 2 条微指令，各指令对应的微程序平均由 4 条微指令组成，采用断定法（下地址字段法） 确定下条微指令地址，则微指令中下地址字段的位数至少是？
【解】一共有 32 条指令，每条指令的执行周期微程序有 4 条微指令，则一共有 32*4 = 128 条微指令，再加上公共的取指令微程序包含 2 条微指令，则总共为 128+2 = 130 条微指令。因为 130 < 28=256，所以下地址字段的位数至少有 8 位。
4 微程序的设计
4.1 取指周期的微程序
取指周期的微操作分析：
| 微操作 | 描述 |
|---|---|
| (PC)-->MAR | 指令对应的地址放入 MAR 中 |
| 1-->R | 允许读主存 |
| M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出指令并存入 MDR 中 |
| (PC)+1-->PC | 程序计数器加 1 个指令字长 |
| (MDR)-->IR | MDR 存储的指令放入 IR 中 |
| OP(IR)-->微地址形成部件 | 指令的操作码送入微地址形成部件进行译码 |
| 微地址形成部件-->CMAR | 根据指令操作码确定该指令的执行（或间址）周期微程序的首地址 |
因此，取指周期的微程序可以由以下几个微指令组成：
| 微指令条数 | 微操作 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | (PC)-->MAR | 指令对应的地址放入 MAR 中 |
| 1 | 1-->R | 允许读主存 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 2 | M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出指令并存入 MDR 中 |
| 2 | (PC)+1-->PC | 程序计数器加 1 个指令字长 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 3 | (MDR)-->IR | MDR 存储的指令放入 IR 中 |
| 3 | OP(IR)-->微地址形成部件 | 指令的操作码送入微地址形成部件进行译码 |
| ~ | 微地址形成部件-->CMAR | 根据指令操作码确定该指令的执行（或间址）周期微程序的首地址 |
4.2 间址周期的微程序
4.2.1 间接寻址
间址周期的微操作分析：
| 微操作 | 描述 |
|---|---|
| Ad(IR)-->MAR | 读出指令的地址码部分，送入 MAR 中 |
| 1-->R | 允许读主存 |
| M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| (MDR)-->Y | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
因此，该指令的间址周期的微程序可以由以下几个微指令组成：
| 微指令条数 | 微操作 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | Ad(IR)-->MAR | 读出指令的地址码部分，送入 MAR 中 |
| 1 | 1-->R | 允许读主存 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 2 | M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 3 | (MDR)-->Y | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段（此时该字段应为执行周期微程序的首地址），并存放在 CMAR |
4.2.2 寄存器间接寻址
间址周期的微操作分析：
| 功能 | 描述 |
|---|---|
| (R0)-->MAR | 读出 R0 的数据，送入 MAR 中 |
| 1-->R | 允许读主存 |
| M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| (MDR)-->Y | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
因此，该指令的间址周期的微程序可以由以下几个微指令组成：
| 微指令条数 | 微操作 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | (R0)-->MAR | 读出 R0 的数据，送入 MAR 中 |
| 1 | 1-->R | 允许读主存 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR |
| 2 | M(MAR)-->MDR | 从主存的相应地址读出数据并存入 MDR 中 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR |
| 3 | (MDR)-->Y | MDR 存储的数据放入暂存输入寄存器 Y 中 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段（此时该字段应为执行周期微程序的首地址），并存放在 CMAR |
4.3 执行周期的微程序
以ADD (R0), R1为例，功能为((R0))+(R1)-->(R0)，说明执行周期的微程序。
执行周期的微操作分析：
| 微操作 | 描述 |
|---|---|
| (Y)+(R1)-->Z | Y 中数据和 R1 中数据相加，经过 ALU 计算的结果存入 Z 中 |
| (Z)-->MDR | 将计算结果放入 MDR 中 |
| 1-->W | 允许写主存 |
| (MDR)-->M(MAR) | 将 MDR 数据放入到主存相应地址中，注意此时 MAR 仍存储着 R0 的数据 |
因此，该指令的执行周期的微程序可以由以下几个微指令组成：
| 微指令条数 | 微操作 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | (Y)+(R1)-->Z | Y 中数据和 R1 中数据相加，经过 ALU 计算的结果存入 Z 中 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 2 | (Z)-->MDR | 将计算结果放入 MDR 中 |
| 2 | 1-->W | 允许写主存 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段，并存放在 CMAR 中，这样就能确定下一条微指令的地址 |
| 3 | (MDR)-->M(MAR) | 将 MDR 数据放入到主存相应地址中，注意此时 MAR 仍存储着 R0 的数据 |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR | 读取当前指令的下地址字段（此时该字段应为取指周期微程序的首地址），并存放在 CMAR |
5 综合例题
例 1
【例 1】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。微指令长度为 32 位，请估算控制存储器 CM 的容量。
【解】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，那么剩余的 3 条指令则是执行周期的指令，所以执行周期微指令一共有 80*3 = 240 条，再加上取指周期的微指令，CM 一共存储 240+1 = 241 条微指令。
考虑微指令的格式，因为 241 < 28=256，所以下地址位数至少有 8 位。因此，CM 的存储单元个数有 256 个，每个存储单元存放一个 32 位的微指令，则 CM 容量为 32b*256。
例 2
【例 2】某微程序控制器中,微指令采用水平型格式、长度为 26 位，操作控制字段采用字段直接编码法，共 5 组，每组共有 5 个、8 个、15 个、27 个、3 个微命令；顺序控制字段采用下址法 + 测试网络法（断定法），测试网络有 2 种外部测试条件。
（1）请设计该微程序控制器的微指令格式。
（2）控制存储器 CM 的容量最大应为多少？
【解】（1）操作控制字段采用字段直接编码法，共 5 组，每组共有 5 个、8 个、15 个、27 个、3 个微命令，则状态数分别为 6,9,16,28,4，因为 6 < 23, 9 < 24, 16 = 24, 28 = 25, 4 = 2^2，所以需要的位数为3,4,4,5,2，操作控制位一共 3+4+4+5+2=18 位。
测试条件有 2 种，因此测试字段占 2 位。剩余的下地址位数 26-18-2=6 位。
（2）下地址位数为 6，则 CM 存储单元个数为 26=64，容量为 26b*64。
| 操作控制（微操作码） | 顺序控制（判断测试字段） | 顺序控制（后继地址字段） |
|---|---|---|
| 18b | 2b | 6b |
例 3
【例 3】某微程序控制器中，采用水平型直接控制（编码）方式微指令格式，后继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。设计其微指令格式。
【解】CM 容量为 512 × 40 位，说明微指令字长为 40 位，下地址需要 9 位（512 = 29）。6 个可判定的外部条件，且互斥，说明微指令的判断字段需要 3 位（6 < 23），这样控制字段需要 40-9-3=28 位。
| 操作控制（微操作码） | 顺序控制（判断测试字段） | 顺序控制（后继地址字段） |
|---|---|---|
| 28b | 3b | 9b |
例 4
【例 4】某机共有 52 个微操作控制信号，构成 5 个相斥类的微命令组，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）请设计该微程序控制器的微指令格式。
（2）控制存储器 CM 的容量最大应为多少？
【解】（1）有 5 个相斥类的微命令组，各组分别包含 5、8、2、15、22 个微命令，则各组的状态数为 6,9,3,16,22，因为 6 < 23, 9 < 24, 3 < 2^2, 16 = 24, 22 < 25，所以控制位需要 3+4+2+4+5=18 位。
可判定的外部条件有两个，则判断位数需要 2 位。剩余的下地址位需要 28-2-18=8 位。
（2）CM 所需的容量为 28*28 = 256*28b。
| 操作控制（微操作码） | 顺序控制（判断测试字段） | 顺序控制（后继地址字段） |
|---|---|---|
| 18b | 2b | 8b |
例 5
【例 5】有指令STA X（X 为主存地址）。
（1）若采用硬布线控制器，写出全部的微操作命令。
（2）若采用微程序控制器，写出全部的微指令。
【解】
（1）若采用硬布线控制器，写出全部的微操作命令。
- 取指周期：
| 微操作 | 控制信号 |
|---|---|
| (PC)-->MAR | PCout, MARin |
| 1-->R | 无 |
| M(MAR)-->MDR | MDRinE |
| (PC)+1-->PC | PC+1 |
| (MDR)-->IR | MDRout, IRin |
| OP(IR)-->ID | 无 |
- 间址周期：
| 微操作 | 控制信号 |
|---|---|
| Ad(IR)-->MAR | MARin |
| 1-->W | 无 |
| ACC-->MDR | ACCout, MDRin |
| MDR-->M(MAR) | MDRout |
- 无执行周期。
（2）若采用微程序控制器，写出全部的微指令。
- 取指周期：
| 微指令条数 | 微操作 |
|---|---|
| 1 | (PC)-->MAR |
| 1 | 1-->R |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR |
| 2 | M(MAR)-->MDR |
| 2 | (PC)+1-->PC |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR |
| 3 | (MDR)-->IR |
| ~ | OP(IR)-->CMAR |
- 间址周期：
| 微指令条数 | 微操作 |
|---|---|
| 1 | Ad(IR)-->MAR |
| 1 | 1-->W |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR |
| 2 | ACC-->MDR |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR |
| 3 | MDR-->M(MAR) |
| ~ | Ad(CMDR)-->CMAR |
- 无执行周期。
