7.5 微程序控制原理

微程序控制是一种将控制信号存储化的控制器实现方法，通过执行微程序来解释和执行机器指令。

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7.5.1 基本概念

1. 微命令

• 定义：控制某个基本微操作的命令信号
• 特点：是最基本的控制信号，不可再分解

2. 微操作

• 定义：计算机中最基本的、不可再分解的操作
• 示例：寄存器间的数据传送、ALU的运算等

3. 微指令

• 定义：存放在控制存储器中的一个控制字，是若干微命令的集合
• 组成：
  • 操作控制字段：包含多个微命令
  • 顺序控制字段：控制下一条微指令的地址

4. 微程序

• 定义：一系列微指令的有序集合，用于解释并执行一条机器指令
• 特点：每条机器指令对应一段微程序

5. 控制存储器 (CM)

• 定义：专门用于存放微程序的只读存储器
• 特点：通常采用ROM或EPROM实现

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7.5.2 微指令编码法

1. 直接控制法

• 原理：微指令的操作控制字段中每一位直接对应一个微命令
• 特点：
  • 优点：并行性好，速度快（可同时执行多个微命令）
  • 缺点：微指令字长（需要很多位）

示例：

$$\text{微指令}=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 0& 1& 1& 0& 1& 0& 0& \cdots \end{array}\right]$$

每一位直接对应一个微命令：第1位→微命令₁，第2位→微命令₂，第3位→微命令₃，...

2. 短编码法

• 原理：将所有微命令统一编码，每条微指令只能完成一个基本操作
• 特点：
  • 优点：微指令字短（只需要log₂n位，n为微命令总数）
  • 缺点：并行性差（一次只能执行一个微命令）

示例：

编码	微命令
$000$	无操作
$001$	微命令₁
$010$	微命令₂
$011$	微命令₃
$⋮$	$⋮$

微指令字长：$\lceil {\log }_{2}n\rceil$ 位（$n$为微命令总数）

3. 字段编码法（最常用）

• 原理：将操作控制字段分为若干小段（字段），段内采用短编码，段间为直接控制
• 特点：
  • 优点：兼顾了并行性和指令长度（折衷方案）
  • 缺点：需要合理分组

分段原则：

• 互斥性微命令：不能同时执行的微命令分在同组（段内编码）
• 兼容性微命令：可以同时执行的微命令分在不同组（段间直接控制）

示例：

$$\text{微指令}=\left[\begin{array}{ccc}{\text{字段}}_1& {\text{字段}}_2& {\text{字段}}_3\end{array}\right]$$

其中：

• 字段₁：3位（段内编码）
• 字段₂：2位（段内编码）
• 字段₃：4位（段内编码）
• 字段间：直接控制（可并行执行）

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7.5.3 微程序控制器组成与工作过程

组成部件

1. 控制存储器(CM)：存放微程序
2. 微指令寄存器($\mu$IR)：存放当前正在执行的微指令
3. 微地址寄存器($\mu$MAR)：存放下一条微指令的地址
4. 微地址形成部件：根据机器指令的操作码形成微程序入口地址

工作过程

1. 执行取指令微程序：

   • 将机器指令从主存取到IR
   • 这是所有指令的公共操作

2. 形成微程序入口地址：

   • 根据IR中的操作码，由微地址形成部件产生该指令对应微程序的入口地址
   • 地址送$\mu$MAR

3. 执行微程序：

   • 从CM中逐条取出微指令到$\mu$IR并执行
   • 微指令的操作控制字段产生微命令
   • 顺序控制字段决定下一条微指令的地址

4. 返回取指：

   • 执行完该微程序后，返回步骤1，取下一条机器指令

工作流程图

开始
  ↓
取指令微程序 (公共)
  ↓
根据操作码形成入口地址
  ↓
执行对应微程序
  ↓
返回取指

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7.5.4 后继微地址的形成

1. 增量方式

• 原理：类似PC，通过微程序计数器($\mu$PC)加1实现顺序执行
• 特点：
  • 顺序执行：$\mu$PC自动加1，即 $\mu$PC $\leftarrow$ $\mu$PC + 1
  • 转移执行：通过转移微指令改变$\mu$PC的值
• 优点：控制简单
• 缺点：需要额外的转移微指令

2. 断定方式

• 原理：由当前微指令的顺序控制字段直接给出下一条微指令的地址
• 特点：
  • 每条微指令都包含下一条微指令的地址
  • 可以实现任意跳转
• 优点：灵活，可以实现复杂的控制流程
• 缺点：微指令字长增加

3. 混合方式

• 原理：结合增量方式和断定方式
• 特点：
  • 顺序执行时使用增量方式（节省微指令字长）
  • 需要跳转时使用断定方式（灵活控制）

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7.5.5 微程序入口地址的形成

方法

• 操作码映射：根据机器指令的操作码，通过查表或逻辑电路形成对应的微程序入口地址
• 实现：
  • 可以用ROM实现映射表
  • 也可以用组合逻辑电路实现

示例

操作码	微程序入口地址
$0000$	$00000000$
$0001$	$00001000$
$0010$	$00010000$
$⋮$	$⋮$

映射关系：$f(\text{操作码})\to \mu \text{MAR}$

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💡 学习要点与重难点标注

层级关系（★容易混淆）

• 1条机器指令 = 1段微程序
• 1段微程序 = 若干条微指令
• 1条微指令 = 若干微命令 (控制信号) + 微地址
• 微命令对应微操作

编码方式对比

编码方式	原理	优点	缺点	应用
直接控制法	1位代表1个信号	快、并行性好	字太长	-
字段编码法（显式）	互斥信号分在同一段，兼容信号分在不同段	兼顾并行性和长度	需要合理分组	最常用

★计算题：给出一组微命令，问怎么分段，微指令多长

微地址形成方法

• 计数器法（增量）：类似PC，自动加1
• 断定法：测试位+地址位，直接给出下一条地址
• 一级/二级功能转换：操作码映射到微程序入口地址

微指令格式

格式	特点	并行能力	字长	应用
水平型	一次定义多个并行操作	强（效率高）	长	高性能
垂直型	类似机器指令	弱	短	简单系统

为什么强调"微程序"？

老师未明说的"潜台词"：

这是计算机组成原理中最经典的考点之一。它体现了"软硬结合"的思想（用软件的思维设计硬件）。老师可能会出设计题：给指令集，让你设计微指令格式，或者计算控制存储器（CM）的大小。

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总结

微程序控制是一种将控制信号存储化的方法，通过执行微程序来解释机器指令。微指令的编码方式有直接控制法、短编码法和字段编码法，其中字段编码法应用最广泛。微程序控制器通过控制存储器、微指令寄存器、微地址寄存器等部件协同工作，根据机器指令的操作码形成微程序入口地址，然后执行相应的微程序。后继微地址的形成可以采用增量方式、断定方式或混合方式。