分类：分类：根据产生微操作信号的方式不同，根据产生微操作信号的方式不同，控制器控制器可分成以下类型：可分成以下类型：

组合逻辑控制器组合逻辑控制器 微程序控制器微程序控制器

微操作控制部件 用来产生计算机各部件的所有控制信号，用来产生计算机各部件的所有控制信号，其复杂程度取决于指令系统的规模和机器的硬其复杂程度取决于指令系统的规模和机器的硬件结构。件结构。

定义：直接由各种类型的逻辑门产生所有定义：直接由各种类型的逻辑门产生所有微操作信号的控制器。微操作信号的控制器。

4.2.4 4.2.4 组合逻辑控制器组合逻辑控制器

注意： 每个微操作命令都是一个逻辑电路的输出。所以，微操作命令发生器就是一个庞大的组合逻辑电路。

C0 C1 C2 Cn

……

T0 T1 T2 Tk……

时序产生部件时序产生部件

微命令产生部件微命令产生部件指令译

指令译

码码 ……

I0I1

Im

微操作控制信号 Ci = F( Ij ,Tk ,Sl )IIj j 指令译码产生的表示不同功能的信号指令译码产生的表示不同功能的信号TTk k 节拍时序信号节拍时序信号SSl l 运算结果状态信息运算结果状态信息

状态标

状态标

志志……

S0

S1

SL

微操作微操作流程分析流程分析

化简化简逻辑表达式逻辑表达式

用逻辑部件用逻辑部件实现实现

1. 设计过程

综合形成综合形成逻辑表达式逻辑表达式

确定微操确定微操作序列作序列

(2) 将各条指令在不同 cpu 周期的不同节拍中产生的同一微操作信号集中到一起形成一个逻辑表达式。 (3)(3) 将同一微操作出现的全部地方和条件进行将同一微操作出现的全部地方和条件进行化简，求出最简的逻辑表达式。化简，求出最简的逻辑表达式。

(4)(4) 画出每一个微操作命令的逻辑电路图，用画出每一个微操作命令的逻辑电路图，用逻辑门来实现。逻辑门来实现。

(1) 根据硬件的结构图写出每条指令的操作流程并分解成微操作序列。

模型机结构图

微命令

发生器

控制信号 操作控制信号 操作 控制信号 操作控制信号 操作 C1 LDR1C1 LDR1 C11 “M”C11 “M” 传送传送 C2 LDR2C2 LDR2 C12 “-”C12 “-” 减法运算减法运算 C3 LDR3C3 LDR3 C13 RD M C13 RD M 读读 C4 R1→X(AC→X)C4 R1→X(AC→X) C14 LDDRC14 LDDR

C5 R1→Y(AC→Y)C5 R1→Y(AC→Y) C15 LDIRC15 LDIR

C6 R2→XC6 R2→X C16 LDARC16 LDAR

C7 R2→YC7 R2→Y C17 PC+1C17 PC+1

C8 DR→XC8 DR→X C18 LDPCC18 LDPC

C9 R3→YC9 R3→Y C19 “ ”∧C19 “ ”∧ 与运算与运算 C10 “+”(C10 “+”( 加法运算加法运算 )) C20 WR M C20 WR M 写写

PC→MAR

RD M

PC+1→PC

MDR→IR

IR(ADR)→MAR

ADD

RD M

读出操作

AC+MDR→AC

指令译码

M1

M2

T1

T1

T2

T2

T3

T3

T4

T4

LDAR(C16)

RD M(C13)

PC+1(C17)

LDDR(C14)

LDIR(C15)

LDAR(C16)

RD M(C13)

LDDR(C14)

指令译码

DR→X(C8)

R1 → Y(C5)

“+” (C10)

LDR1(C1)

uI1

uI2

uI3

00H

82H

34H

ADD 指令操作流程图 ADD 指令微程序流程图

RD M = M1·T2+M2·T2·(LDA+ADD+AND)

LDPC = M2·(T1·JMP+T3·JZ·ZF=1)

DR→X = M2·T4·(LDA+ADD+AND)

LDAR = M1·T1+M2·T1·(LDA+STA+ADD+AND)

2.2. 组合逻辑控制器的特点组合逻辑控制器的特点 最大的优点是：最大的优点是：产生控制信号的速度快！产生控制信号的速度快！只需两级门或三级门的延时就可产生。只需两级门或三级门的延时就可产生。

缺点是：缺点是：由于一台计算机中的微操作控制由于一台计算机中的微操作控制信号少则几十个，多则几百个甚至更多，要设信号少则几十个，多则几百个甚至更多，要设计出能实时产生这么多控制信号的逻辑线路，计出能实时产生这么多控制信号的逻辑线路，其设计工作量很大其设计工作量很大 ,, 设计过程复杂，并且电路设计过程复杂，并且电路形成后，很难实施修改，不利于指令系统的扩形成后，很难实施修改，不利于指令系统的扩充充。。

4.2.5 4.2.5 微程序控制器微程序控制器

要点：要点： a. a. 一条机器指令从取指令到执行都可一条机器指令从取指令到执行都可以分解成以分解成一系列确定的微操作步骤一系列确定的微操作步骤。而。而每个步骤所需的每个步骤所需的控制信号控制信号也就确定了。也就确定了。

1.1. 基本原理基本原理 用软件的方法来实现硬件的功能。用软件的方法来实现硬件的功能。

b.b. 因此可以将控制信号按一定规则进行编因此可以将控制信号按一定规则进行编排，排，形成控制字（形成控制字（微指令微指令）并保存在）并保存在专用的专用的存储器存储器中中。 不同的机器指令对应不同的微。 不同的机器指令对应不同的微指令序列（指令序列（微程序微程序）。）。

c. c. 执行一条机器指令时，只要逐条取出与执行一条机器指令时，只要逐条取出与其对应原微程序，就可以产生所需的微操作其对应原微程序，就可以产生所需的微操作控制信号。控制信号。

INC INC 微程序微程序1122

KK

….

ADD R1 ，[R2]

INC [R1]

….….

主存储器

控制存储器

机器指令对应的微程序 (微指令 )

1122

NN

ADD ADD 微程序微程序

….

22 、基本术语、基本术语微操作：微操作：对于指令的执行步骤中，不对于指令的执行步骤中，不能再分的操作能再分的操作 ..微命令：微命令：控制微操作的命令，即实现控制微操作的命令，即实现微操作的控制信号。微操作的控制信号。微指令：微指令：每一步操作所需的若干微命每一步操作所需的若干微命令，以代码的形式编排就构成一条微令，以代码的形式编排就构成一条微指令。指令。

微程序：微程序：由一系列微指令的有序集合由一系列微指令的有序集合构成。构成。一条机器指令对应多条微指令一条机器指令对应多条微指令构成的微程序构成的微程序。。控制存储器：控制存储器：集中存放所有机器指令集中存放所有机器指令微程序的专用存储器。每一个单元为微程序的专用存储器。每一个单元为一条微指令。通常为高速的一条微指令。通常为高速的 ROMROM 部件。部件。

33 、微程序控制单元的基本框图、微程序控制单元的基本框图

微地址 形成部件

顺序逻辑

uMAR

地址译码控制存储器

标志CLK

至 CPU 内部和系统总线的控制信号 OP IR

控制信号 下地址微指令基本格式

uIR 下地址

44 、微程序控制单元内容、微程序控制单元内容

M+1

M

M+2

P+1

K

K+2

P

P+2

K+1…

取指周期 微程序

对应 LDA 操作的微程序

对应 STA 操作的微程序

间址周期 微程序

中断周期 微程序

M+1

M+2

P+1

P+2

K+1

K+2

M

M

转执行周期微程序

…

转取指周期微程序

…

控存

M+1

M

M+2

P+1

Q

Q+2

P

P+2

Q+1

…

取指周期 微程序

对应 LDA 操作的微程序

对应 ADD 操作的微程序

Q+1

Q+2M

M+1

M+2

P+1P+2

M…

……

对应 STA 操作的微程序

K+1

K+2

M

K

K+2

K+1

LDA X

ADD Y

STA Z

主存

STP

用户程

序

55 、工作原理、工作原理

(a) 取指阶段M uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令形成下条微指令地址

Ad (uMDR ) uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令

Ad (uMDR ) uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令

M + 1

M + 2

PC MAR 1 R

M ( MAR ) MDR( PC ) + 1 PC

MDR IR

0 0 1 0 0 0 0M + 2 …

1 0 0 0 0 1 M+1M …

0 1 0 0 1 0 M+2M + 1 …

形成下条微指令地址

执行取指微程序

(b) 执行阶段

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令

Ad (uMDR ) uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令

Ad (uMDR ) uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令

OP ( IR ) 微地址形成部件 uMAR ( P uMAR )

Ad (uMDR ) uMAR

Ad ( IR ) MAR 1 R

M ( MAR ) MDR

MDR AC

0 0 0 0 0 0 1 0P + 2 … M

执行 LDA 微程序

形成下条微指令地址 P + 1

形成下条微指令地址 P + 2

形成下条微指令地址 M ( M uMAR )

0 1 0 0 0 P+2P + 1 …

0 0 0 1 0 0 1 P+1P …

(c) 取指阶段

PC MAR 1 R

1 0 0 0 0 1 M+1M

全部微指令存在 CM 中，程序执行过程中 只需读出

关键 微指令的 操作控制字段如何形成微操作命令

微指令的 后继地址如何形成

执行取指微程序

……

M uMAR

CM (uMAR ) uMDR

由 uMDR 发命令形成下条微指令地址 M + 1

66 、微指令的格式、微指令的格式 由两部分组成： 由两部分组成： 控制字段控制字段——用于安排微命令。——用于安排微命令。 下址字段下址字段——用于控制形成或直接——用于控制形成或直接

给出下条微指令在控存中的地址。给出下条微指令在控存中的地址。

直接控制直接控制分段编码分段编码

水平型微指令水平型微指令

垂直型微指令垂直型微指令

(1)(1) 控制字段的安排又分为二种形式：控制字段的安排又分为二种形式：

1)1) 水平型微指令水平型微指令 基本特点是在一条微指令中定义并执行 基本特点是在一条微指令中定义并执行 多个并行操作微命令。 多个并行操作微命令。 直接控制法：将微指令操作控制字段直接控制法：将微指令操作控制字段的每一个二进制位定义为一个微命令，直的每一个二进制位定义为一个微命令，直接送往相应的控制点。接送往相应的控制点。

直接控制法举例直接控制法举例

1 2 3 1 2 3 n-2n-2 n-1n-1 nn

C1 C2 C3 . . . . . . CmC1 C2 C3 . . . . . . Cm

下地址下地址

顺序控制字段顺序控制字段操作控制字段操作控制字段

mm. . .. . .

特点：控制简单，不需加微命令译码器但特点：控制简单，不需加微命令译码器但微命令多，使得微指令太长，因而要求微命令多，使得微指令太长，因而要求控控制存储器容量制存储器容量较大。较大。

AA

BB

CC

下地址

0000 不操作不操作01 “+”01 “+”

10“ ”﹠10“ ”﹠11 “-”11 “-”

0000 不操作不操作01 A01 AXX

10 B10 BXX

11 C11 CXX

0000 不操作不操作01 A01 AYY

10 B10 BYY

11 C11 CYY

分段编码法分段编码法

1 2 3 1 2 3 4 54 5 6 76 7 8 98 9 10 11 12 13 14 15 10 11 12 13 14 15

地址部分地址部分控制部分

相斥性的微命令：相斥性的微命令： 指不能在同一指不能在同一 CPUCPU周期内出现的微命周期内出现的微命令令相容性的微操作：相容性的微操作： 指能在同一指能在同一 CPUCPU周期内出现的微命令周期内出现的微命令

为什么可以采用分段编码来表示微命令呢？为什么可以采用分段编码来表示微命令呢？

相斥性的微命令：相斥性的微命令： ++、、 --、﹠、﹠ AAXX、 、 BBXX、 、 CCXX AAYY、 、 BBYY、 、 CCYY

相容性的微命令：相容性的微命令： AA、 、 BB、 、 CC结论：将相斥的微命令编在一个字段里。结论：将相斥的微命令编在一个字段里。 将相容的微命令编在不同字段里。将相容的微命令编在不同字段里。

例题：某计算机有８条微指令，每条微指令发出例题：某计算机有８条微指令，每条微指令发出的微命令如下表所示，试对这些微指令进行编码的微命令如下表所示，试对这些微指令进行编码以使得微指令的控制字最短而且保持微程序应有以使得微指令的控制字最短而且保持微程序应有的并行性。的并行性。

a c d ga c d g

经分析可发现经分析可发现

X X X X X X X X

00 00 不操作不操作01 01 ee

10 10 ff

11 11 h h

00 00 不操作不操作01 01 bb

10 10 ii

11 11 jj

II11～～ II88 的编码具体是多少呢？的编码具体是多少呢？

　 微命令：　 微命令： ee、、 ff、、 hh是互斥的是互斥的，，bb、、 ii 、、 jj 是互斥的是互斥的，，其余的微命令 其余的微命令 aa 、、 cc 、、 dd、 、 gg是相容的。是相容的。

I1I1 0101 1110 0101 1110

I2I2 1000 1011 1000 1011

I3I3 1101 0000 1101 0000

I4I4 0000 0100 0000 0100

I5I5 0110 0101 0110 0101

I6I6 1111 1000 1111 1000

I7I7 1100 0110 1100 0110

I8I8 1101 1000 1101 1000

II11～～ II88 的编码具体是多少呢？的编码具体是多少呢？

22 ）垂直型微指令）垂直型微指令 在这种微指令中设置了微操作码字在这种微指令中设置了微操作码字段，采用机器指令操作码编码方法为每一段，采用机器指令操作码编码方法为每一种微操作进行编码。种微操作进行编码。

特点是不强调实现微指令的并行控特点是不强调实现微指令的并行控制功能，通常一条微指令只要能控制实现制功能，通常一条微指令只要能控制实现一个微命令。一个微命令。

11 22 33 44 55 66 77 88 99 1010

微指令格式微指令格式

控制字段控制字段

0000 无操作

0001 A

0010 B

0011 C

0100 AX

0101 AY0110 BX0111 BY1000 C→X1001 C→Y1010 “+”1011 “&”1100 “-”

标志标志

地址字段地址字段

下址下址

微指令的下地址字段控制产生后继微地址。有两种情况：控制产生后继微地址。有两种情况：

计数器方式：计数器方式：设置微程序计数器。设置微程序计数器。

断定方式：断定方式：设置下址字段，其位数取决设置下址字段，其位数取决于控制存储器的总字数。于控制存储器的总字数。

例题：例题：

已知某计算机有已知某计算机有 8080条指令，平均每条指令，平均每条指令由条指令由 1212 条微指令解释执行，其中有条微指令解释执行，其中有二条取指微指令是所有指令公用的，设微二条取指微指令是所有指令公用的，设微指令长度为指令长度为 3232位，请算出控制存储器的位，请算出控制存储器的容量。容量。 2×32 位

80×10×32 位 802×32802×32 位位

执行取指微程序

IR （ OP）

MAPROM

进行地址映射

微程序的入口地址

读出第一条微指令并用于控制各部件的操作

地址字段控制取下条微指令

如此循环，

直到最后一条微指令

执行判中断微程序

完成一条机器指令

开始

77、微程序的执行过程、微程序的执行过程

P207

运算器 微程序控制器

控制存储器

用于运算器

输入设备 输出设备主存储器

控制总线

0 单元

n单元

1单元

CZVS

接口

.

PC

AR IR

数据总线

地址总线

ALU

乘商寄存器

R1R0

Rn

操作数地址

操作码

寄存器组映射

地址寄存器

程序计数器

指令寄存器

微程序定序器

主振 脉冲

微指令寄存器

下地址字段内容

思考题：思考题： 某机采用微程序控制器，已知每一某机采用微程序控制器，已知每一条机器指令的执行均可分解成８条微指条机器指令的执行均可分解成８条微指令组成的微程序，该机指令系统采用６令组成的微程序，该机指令系统采用６位定长操作码格式。位定长操作码格式。

1)1) 控制存储器至少应能容纳多少条微指控制存储器至少应能容纳多少条微指令？令？

2)2)如何确定机器指令操作码与该微程序如何确定机器指令操作码与该微程序入口地址的对应关系。入口地址的对应关系。

思考题：思考题：

　　某机采用微程序控制器，其存储器容量　　某机采用微程序控制器，其存储器容量 512×48512×48位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制的条件共的条件共６６个，微指令采用水平型格式，后继指令的个，微指令采用水平型格式，后继指令的控制采用断定方式。微指令的格式如下图所示。控制采用断定方式。微指令的格式如下图所示。

微命令字段 判别测试字段 下地址字段

问微指令中的三个字段分别是多少位？－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 4848 位－－－－－－－－－－－位－－－－－－－－－－－

－－－－－－ 3 3 位－－－位－－－－－－－ 99 位－－位－－

8. 8. 微程序控制器举例微程序控制器举例

TH-unionTH-union 教学计算机控制器简介教学计算机控制器简介

TH-union TH-union 微程序控制器结构图微程序控制器结构图

Am2910

MAPROM

CI3~0

scc3~0

微下地址

SCC Gal

控制存储器控制存储器 (ROM)(ROM)

指令操作码

微指令转移的控制条件

/CC微指令寄存器微指令寄存器

MRW I2~0 I8~7 I6 I5~3 A3~0

B3~0 SST2~0 SSH SCI1~0 DC2 DC1

CP

/G

读命令

下地址控制字段下地址控制字段 1616 位位 其中 8 位用于给出微指令转移用的转移地址。 ４位用于微程序定序器 Am2910的命令码 CI3～ CI0。 4位 SCC3～ SCC0用于给出微指令转移的判别条件。

顺序控制字段：顺序控制字段： 微指令的高微指令的高 1616位，用于产生微程序位，用于产生微程序下地址。下地址。

操作控制字段：操作控制字段： 微指令的低微指令的低 3232位，用于给出对运算位，用于给出对运算器、主存储器、器、主存储器、 I/O I/O 等部件的控制微命等部件的控制微命令。令。

TH-unionTH-union 微指令的格式微指令的格式

操作控制字段操作控制字段 3232 位位 其中 23位用于对运算器的操作控制 (I8～ I

0、 A 口、 B 口、 SST 、 SCI 、 SSH) 。

/MIO 、 REQ、 /WE 3位构成对读写周期的控制。

DC1 的 3位形成对送往内部总线数据的选择控制。

DC2 的 3位指定接收数据输入的专用寄存器。

① 运算器（ 23 位）PP553232位控制信号位控制信号

I2-I0 I8-I6 I5-I3 B口 A口 SST SSH SCI

② 内存或 I/O 读写（ 3 位） ③专用寄存器操作（ 3 位）

MI O REQ WE 操作功能0 0 0 内存写0 0 1 内存读0 1 0 I / O些0 1 1 I / O读1 X X 无读写

④ 内部数据总线来源（ 3 位）DC1 译码信号000 SWTOI B001 RTOI B010 ETOI B011 FTOI B100 STOI B101 I NTVH110 I NTV111 NC

操作功能送开关内容到内部总线

ALU送 输出到内部总线I R送 低位字节内容到内部总线送程序状态到内部总线

16位机不用16位机不用

送中断向量到内部总线无操作，不向内部总线发送数据

DC2 译码信号000 NC001 GI R010 GARL011 GAR100 I NTR101 I NTN110 EI111 DI

操作功能无操作

指令寄存器接收16位机不用地址寄存器接收恢复原中断优先级接收新中断优先级

开中断关中断

对运算器的控制对运算器的控制2323 位控制信号，同位控制信号，同 2323 位微型开关内容，位微型开关内容，

AA 口地址口地址，， BB 口地址口地址，，I8I8 ～～ I6I6 ，， I5I5 ～～ I3I3 ，， I2I2 ～～ I0I0SSTSST ，， SSHSSH ，， SCISCI

寄存器使用分配：寄存器使用分配： R4: SP R4: SP R5: PC R5: PC R6: IP R6: IP

约定用法：约定用法： R0R0 ：： I/O I/O 指令约定使用 指令约定使用 R0R0 、、 R1R1 ：乘、除指令约定指令用 ：乘、除指令约定指令用

/MIO （ 0 ：有内存和串口读写， 1 ：无） REQ （ 0 ：读写内存， 1 ：读写串行口） /WE （ 00 ：写操作， 1 ：读操作）

0000 写内存0011 读内存

0100 写串口0111 读串口10X 无内存和串口的读写操作11X 特殊用法，写控存

对内存和 对内存和 I/O I/O 接口的读写接口的读写

微程序流的控制　　是指当前微指令执行完毕后，怎样控制产生后　　是指当前微指令执行完毕后，怎样控制产生后继微指令的微地址。继微指令的微地址。　　决定下条微指令地址的因素较多，处理的方法　　决定下条微指令地址的因素较多，处理的方法各不相同，要得到下一条微指令的地址，至少需要各不相同，要得到下一条微指令的地址，至少需要以下两点：以下两点：

在微指令字中，分配若干字段，用于给出微指在微指令字中，分配若干字段，用于给出微指令转移地址，以及转移的判定条件等信息。令转移地址，以及转移的判定条件等信息。 要有相应的硬件支持。例如：加１、判真假、要有相应的硬件支持。例如：加１、判真假、堆栈组织等以实现微程序中的功能分支转移。堆栈组织等以实现微程序中的功能分支转移。

微程序定序器Am2910

I R指令寄存器

CCEN

CI3~CI0

IRH

OE

SCC

微命令

PC程序计数器

控制存储器

. . .

微指令寄存器

条件判断线路SCC GAL

微地址映射部件MAPROM

指令操作码

微地址

MAP

CC

PLVECT

CP

CP

CP

微下地址

32位16位

2片58C65

374+273

微程序控制器的基本组成框图微程序控制器的基本组成框图

CCCC

PL

PL

MAP

PL

PL

VECT

PL

PL

PL

PL

PL

PL

Am2910Am2910 已用命令码及其功能已用命令码及其功能

CICI00

CICI11

CICI22

CICI33

完成功能 R/C 内容

R/C 操作 使能信号

Y 输出 堆栈 Y 输出 堆栈

011

初始化条件转微子

／／

0μPC

清除／

0D

清除压入

2233

指令功能分支条件转移

／／

DμPC

／／

DD

／／

446

入栈 R/C 装数转中断向量

注 1／

μPCμPC

压入／

μPCD

压入／

8R/C

非零循环

非零 减 1 F ／ F ／

零 ／ μPC 弹出 μPC 弹出

101414

条件返回顺序执行

／／

μPCμPC

／／

FμPC

弹出弹出

15 三路转移非零 减 1 F ／ μPC ／

零 ／ D 弹出 μPC 弹出

0CCEN

注注 1:1:若测试失败则保持若测试失败则保持 ,,否则就装数否则就装数注注 2:2:图中符号图中符号 //表示保存原内容不变表示保存原内容不变

PC:PC:微指令寄存器微指令寄存器R/C:R/C: 寄存器寄存器 //计数器计数器

D:D:直接输入直接输入F:F:微堆栈栈顶微堆栈栈顶

1CC 0CC

对控制器部件的控制：下地址字段对控制器部件的控制：下地址字段

分成３个子字段，总共使用分成３个子字段，总共使用 1616 位码。位码。

8 位 4 位 4 位 微下地址 2910的命令码 微转移条件

00H CC#=/FS1 3#00H CC#=/FS1 3# 10H 04 03 40 B0 F0 50 0210H 04 03 40 B0 F0 50 02

IB→PCIB→PC

→ →ARAR

TH-union TH-union 的微程序清单的微程序清单地址 微操作 命令码地址 微操作 命令码 下地址 微指令 相应的指令 下地址 微指令 相应的指令

24H SR→DR24H SR→DR ， ， 3#3# A4H 29 03 00B0 C0 00 88 MOV DRA4H 29 03 00B0 C0 00 88 MOV DR ，， SRSR

CC#=0CC#=0

︰ ︰ ︰ ︰ ︰ ︰ ︰ ︰ ︰ ︰

︰ ︰ ︰︰ ︰ ︰