挑戰408——組成原理（25）——微程序控制器

微程序邏輯採用存儲邏輯實現，其基本思想爲：把操作控制信號編製成微指令，存放在存儲器中，運行的時候，從存儲器中取出微指令，從而產生指令運行所需要的操作控制信號。所以所謂的微程序設計技術，實際上是用軟件的方法來設計硬件的技術。
目前，大多數機器採用微程序設計技術。
處理器的內部可以分爲：控制器部件和執行部件。下面學習一些術語：

• 微命令：控制器部件向執行部件發出的控制命令，是構成控制序列的最小單位，例如打開或者關閉控制門的電位信號。是各部件完成某個基本微操作的命令
• 微操作：執行部件接受微命令後所進行的操作，和微操作是一一對應的。
  （實際上，微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的執行過程，微操作是執行部件中最基本的操作）
• 微指令：若干微命令的集合，存放在一個控制存儲器中，而存放微指令的控制存儲器的單元成爲微地址。在同一CPU週期內，並行執行的一組微命令，存儲在控制存儲器上面，稱爲一條微指令。
• 微週期：從讀取一條微指令，到執行執行完畢所需要的時間稱爲微週期。
• 控制存儲器：之前介紹的主存，主要用來存放程序和數據，位於CPU的外部，使用的是RAM。而控制存儲器，則主要用於存儲微程序，位於Cpu內部，採用的是ROM。
• 微程序：實現一條機器指令功能的微指令序列。

下面說說他們之間的相互關係：
指令系統 = 所有機器指令的集合；
一條機器指令 = 一個微程序
微程序 = 若干微指令
微指令 = 一組微命令
微命令 ->微操作
程序與微程序：程序由機器指令構成，編寫好以後放到主存中運行，可以改寫。而微程序由微指令構成，事先編寫好在CM（控制存儲器）中，一般是不可改寫的。

微指令的構成

微指令由操作控制字段跟順序控制字段構成。

• 操作控制字段：又稱微操作碼字段，用以產生某一步操作所需要的各個微操作所需的各個控制信號
• 順序控制字段：又稱微地址碼字段，用來控制產生下一條將要執行的微指令的地址。（類似於PC）

上圖中的控制存儲器是微程序控制單元的核心，CMAR中存放着欲讀出的微指令地址，而順序邏輯則用於形成下一條微指令。

微指令的控制方式

微指令的編碼方式，又稱爲微指令的控制方式，它是指如何對微指令的控制字段進行編碼，以形成控制信號。目前主要有如下方式：

1. 直接編碼方式
   操作控制字段中的各位分別可以直接控制計算機，不需要進行譯碼。其中每一位都代表一個微操作命令，例如控制字段中的某位爲1，則代表着控制信號有效，0代表無效。直接編碼方式的格式圖如下：
   
   優點：簡單直觀，執行速度快；微命令的並行控制能力強，編制的微程序短。
   缺點：微指令字太長。空間不能充分利用，比如如果是微命令有N個，那麼微指令的控制字段就要N位，這樣就會造成控存容量極大。
2. 字段直接編碼方式
   將操作控制字段分爲若干個小段，每段內採用最短編碼法(互斥微命令)，段與段之間採用直接編碼方式(兼容微命令)。這句話比較難理解。
   舉個例子，例如用3位二進制譯碼後代碼可以表示7位互斥的微命令，留出的一位，用作狀態碼，表示不發出微命令，那麼對比直接編碼，採用7位來表示，減少了4位。
   在設計上：互斥性的微命令分在同一段內，兼容性的微命令分在不同段內
   
   優點：可以避免互斥，使指令字大大縮短
   缺點：增加了譯碼電路，使微程序的執行速度減慢
3. 混合編碼方式‘
   將前兩種結合在一起，兼顧兩者特點。一個字段的某些編碼不能獨立地定義某些微命令，而需要與其他字段的編碼來聯合定義

微指令的地址形成

微指令的地址形成主要有兩個方式：

1. 直接由微指令的順序控制字段（或者稱爲下地址）給出。
2. 根據指令的操作碼形成（一般由增量計數法，分支轉移法，硬件直接產生）

微指令格式

微指令的格式與微指令的編碼方式有關，通常分爲水平型跟垂直型微指令。
水平型微指令的特點是，一次能定義並執行多個並行操作的微命令，從編碼方式來看，直接編碼，字段直接編碼，以及混合編碼都屬於水平類型。
垂直型微指令的特點是，採用類似機器指令操作碼方式，在微指令字段中，設置微操作碼字段，由微操作碼規定微指令功能，不過這種微指令並不強調並行控制功能。
例如寄存器數據傳送型的微指令格式：

000	元寄存器	目的寄存器	其他

前面的000表是微操作碼。

兩者之間的比較：

• 水平型微指令並行操作能力強，效率高，靈活性強
• 水平型微指令執行一條指令的時間短，並行好
• 水平型微指令字長較長，微程序短；垂直型指令字長短，微程序長
• 垂直型與指令相似，易於編寫。

兩種控制器之間的對比：