计算机组成原理课程设计微程序设计
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3秒自动关闭窗口上海交通大学网络教育精品课程《计算机组成与系统结构》
5.3.2 微程序控制器
微程序控制器是用微程序（Microprogram）实现计算机控制的控制器，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中被广泛采用。
1．基本思想
微程序控制器的基本思想是：将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑，将微操作控制信号按一定规则进行编码，形成微指令，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，逐条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。
微程序控制技术，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。存放微程序的存储器称为控制存储器（Control Memory，CM，简称控存）。
由于微程序实现计算机的机器指令功能时，微程序存储在控制存储器之中。因此，改变控制存储器的内容，就可以方便地改变指令特性、增删指令、甚至改变指令系统，这给计算机设计者和用户提供了相当大的灵活性。
在计算机系统中，微程序控制技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术，能使机器逻辑设计规整，提高可靠性、可利用性及可维护性，这大大优化了硬件控制技术。
微程序开发在许多方面类似于软件开发，所以软件工程中行之有效的一系列开发手段都可应用于微程序的开发上。
2．基本概念
（1）微命令
由微程序控制器通过控制线向执行部件发出的微操作控制信号称为微命令（Microorder）。
执行部件接受微命令后所进行的操作就是微操作，微操作是计算机中最基本的操作。
（2）微指令
在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的集合构成一条微指令（Microinstruction）。微指令存放在控制存储器中。
（3）微地址
微地址（Microaddress）就是微指令在控制存储器中的地址。
（4）微程序
一条机器指令的功能是用若干条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常称为微程序（Microprogram）。换句话说，微程序是由微指令组成、用以实现指令功能的程序。
由此可见，微命令按照一定的要求组合成微指令，微指令按照指令功能的要求组合成微程序，一条机器指令的功能是用一段微程序来实现的，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程，而微程序的总和便可实现整个指令系统的功能。
微程序控制器将有关微操作控制信号写成微指令，若干微指令组成一个微程序，所有微程序都存放在控制存储器中，读出一条微指令，就产生一组微操作控制信号。因此，将原来的组合逻辑变成了存储逻辑，还可以用类似程序设计的方法来设计控制逻辑。
3．微程序设计
微程序设计的关键是微指令结构的设计。
设计微指令结构时主要考虑以下几个问题：微指令字的长度、控制存储器的容量、微程序的长度、微程序的执行速度、微指令修改与微程序设计的灵活性。
（1）微指令基本格式
微指令包括操作控制字段和顺序控制字段。
操作控制字段用于产生微命令，发出指挥计算机工作的微操作控制信号。
顺序控制字段用来确定下一条微指令的地址，保证微程序连续正确地运行。
图5-14& 微指令基本格式
（2）微指令操作控制
微指令执行的操作控制问题，实际上是如何表示微命令的问题，通常有以下三种微命令表示方法：
①直接表示法
直接表示法是将微指令的操作控制字段中的每一个二进制位定义为一个微命令，该位为1时表示有该微命令。
图5-15& 微指令操作控制的直接表示法
这种方法的优点是简单直观，速度快，输出直接用于控制。缺点是微命令太多,造成微指令字过长，控制存储器容量较大。
②编码表示法
编码表示法是在微指令的操作控制字段中，对一组组相斥性的微命令信号进行分段编码，组合成若干个编码字段，然后通过字段译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。
图5-16& 微指令操作控制的编码表示法
采用编码表示法，可以用较少的二进制位表示较多的微命令信号。与直接表示法相比，编码表示法可使微指令字大大缩短，但由于增加了译码电路，使微程序的执行速度稍有减慢。
目前在微程序控制器设计中，编码表示法使用较为普遍。
③混合表示法
这种方法是把直接表示法与编码表示法混合使用，综合考虑微指令字长、灵活性和微程序执行速度等方面的要求。
（3）微指令顺序控制
微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何产生下一条微指令地址的问题。通常，产生后继微指令地址有以下两种方法：
①计数器方式
这种方法同用程序计数器PC来产生机器指令地址的方法相类似。
设置微程序计数器，每执行完一条微指令，微程序计数器就对当前的微指令地址加上一个增量，以形成下一条微指令地址。为此，顺序执行的微指令序列必须安排在控制存储器的连续单元中。
在有转移情况出现时，则需设置转移微指令，使当前微指令执行后，转去执行指定地址的下一条微指令。
这种方式的基本特点是：微指令的顺序控制字段较短，但速度较慢，灵活性较差。
②直接方式
在微指令的顺序控制字段设置一个后继地址字段，用来直接给出下一条微指令的地址。
这种方式的基本特点是：无需设置转移微指令，但增加了微指令字的长度。
（4）微程序设计技术 　
微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。
①静态微程序设计
对应于一台机器的指令系统，只存在一组微程序，而且这一组微程序在设计好之后，一般无需改变也不能改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。
②动态微程序设计
当采用可擦写存储器件（如EPROM）作为控制存储器时，还可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。
在一台微程序控制的计算机中，假如能根据用户的要求改变微程序，则这台机器就具有动态微程序功能。
采用动态微程序设计时，微指令和微程序可以根据需要加以改变，因而可在一台机器上实现不同类型的指令系统，以便扩大机器的功能。
例如，在不改变硬件系统结构的前提下，用两套微程序分别实现两个不同系列计算机的指令系统，可使得这两种计算机的软件彼此兼容；也可以通过在原来指令系统的基础上增加一些新指令来提高整个系统执行的效率。
4．微程序控制器原理
（1）微程序控制器的组成原理
微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，如图5-17所示。
图5-17& 微程序控制器逻辑框图
控制存储器：由只读存储器构成，用于存放微程序。
微指令寄存器：用来存放从控制存储器中取得的微指令，包括微命令寄存器和微地址寄存器。
微地址转移逻辑：用于产生后继微指令的地址。
①控制存储器
控制存储器用来存放实现机器指令系统的微程序，它一般是高速的只读存储器。
一般而言，在微程序的调试阶段采用可读写的存储器，而微程序一旦固化，就采用只读存储器存放，并且在机器运行时只读不写。
控制存储器的工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令……。
控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。
对控制存储器的要求是速度快，读出周期短。
注意：控制存储器是控制器的一部分，不属于主存储器。控制存储器存放的是微指令，而主存储器则存放指令。
②微指令寄存器
微指令寄存器用来暂时存放由控制存储器读出的一条微指令信息。
其中，微地址寄存器保存将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存微指令中的操作控制字段和判别测试字段的信息。
③地址转移逻辑
在一般情况下，微指令由控制存储器读出后，可直接给出下一条微指令的地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。
当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段和执行部件的状态条件反馈信息，对微地址寄存器的内容进行修改，并按修改好的内容去读取下一条微指令。
地址转移逻辑就是承担自动修改微地址的任务的。
（2）微程序控制器的工作过程
微程序控制器的工作过程，实质上就是在微程序控制器的控制下计算机执行机器指令的过程，可大致描述如下：
①从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作。
②根据机器指令的操作码，得到该机器指令所对应的微程序的入口。
③逐条取出微指令，完成相关微操作控制。
④执行下一条机器指令。您所在位置： &
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计算机组成与结构实验讲义.doc45页
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计算机组成与结构
面向信息科学与工程学院各本科专业
河北北方学院信息科学与工程学院
基础汇编语言程序设计 1
脱机运算器实验 13
存储器部件教学实验 16
微程序控制器实验 21
IO口扩展实验 30
中断实验 32
附录一教学机系统结构图 36
附录二 TEC-XP 16 系统各功能部件之间的连接关系和信息传送路径 37
附录三 TEC-XP 16 系统教学实验简明操作卡 38
附录四 指令汇总表 39
附录五 基本指令执行流程框图 40
附录六 扩展指令执行流程框图 41
附录七 微程序表 42
基础汇编语言程序设计
11 实验目的
学习和了解TEC-XP教学实验系统监控命令的用法
学习和了解TEC-XP教学实验系统的指令系统
学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计
12 实验内容
学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC
使用监控程序的R命令显示修改寄存器内容D命令显示存储器内容E命令修改存储器内容
使用A命令写一小段汇编程序U命令反汇编刚输入的程序用G命令连续运行该程序用TP命令单步运行并观察程序单步执行情况
13 实验步骤
131 完成TEC-XP教学计算机与PC机的硬件连接
将TEC-XP放在实验台上打开实验箱的盖子确定电源处于断开状态
将黑色的电源线一端接220V交流电源另一端插在TEC-XP实验箱的电源插座里
取出通讯线将通讯线的9芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口1上另一端接到PC机的COM1或COM2建议用COM2串口上
将TEC-XP实验系统左下方的五个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置在找个实验中开关应置为00110连续内存读指令组合逻辑或微程序联机16位
拨动教学计算机右侧面的船形开关打开电源船形开关和5V电源
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作者：樊莉
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这本《计算机组成原理实验》由樊莉主编，本书实验内容主要面向“计 算机组成原理”课程，是以充实、固定、延伸课程学习，培养科学实 验技能、严谨的工作作风和创新实践能力为目标而编写的。 本书详细介绍了计算机组成原理实验系统，并结合实验系统设计了基本 运算器、超前进位加法器、静态 随机存储器、Cache控制器设计、时序发生器、微程序控制器、系统总线、 简单模型机、硬布线控制器模型机和 复杂模型机、带中断处理能力和带DMA控制功能的模型机、精简指令计算机 和基于流水技术处理机等实验 项目。实验项目强调原理性、针对性、创新性，实验原理论述详尽，指导性 强。 《计算机组成原理实验》可作为高等学校计算机科学与技术等相关专业 开设计算机组成原理实验课程的教材，也可供从事 该领域工作的相关人员自学参考。
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第1章 实验系统概述&& 1.1 系统功能及特点&& 1.2 系统构成&& 1.3 TD-CMA系统的配置与安装&& 1.4 TD-CMA集成软件操作说明&& 1.5 实验系统时序单元&&第2章 运算器&& 2.1 基本运算器实验&& 2.2 超前进位加法器设计实验&&第3章 存储系统&& 3.1 静态随机存储器实验&& 3.2 Cache控制器设计实验&&第4章 控制器&& 4.1 时序发生器设计实验&& 4.2 微程序控制器实验&&第5章 系统总线与总线接口&& 5.1 系统总线和具有基本输入、输出功能的总线接口实验&& 5.2 具有中断控制功能的总线接口实验&& 5.3 具有DMA控制功能的总线接口实验&&第6章 模型计算机&& 6.1 CPU与简单模型机设计实验&& 6.2 硬布线控制器模型机设计实验&& 6.3 复杂模型机设计实验&&第7章 输入、输出系统&& 7.1 带中断处理能力的模型机设计实验&& 7.2 带DMA控制功能的模型机设计实验&&第8章 精简指令系统计算机&& 8.1 计算机的指令系统&& 8.2 基于RISC技术的模型计算机设计实验&&第9章 流水线处理机&& 9.1 流水线的原理及基本思想&& 9.2 基于流水技术的模型计算机设计实验&&附录 实验用芯片介绍&&参考文献&&
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