一、微體系結構舉例

閱讀本節後回答以下問題：

爲什麼提出微體系結構
描述微體系結構
微指令的構成？如何實現跳轉？

數據通路

微體系結構中，要執行多條指令的被控對象稱之爲數據通路，數據通路中的ALU控制信號的0、1組合就決定了數據通路的功能，可以把這組控制信號簡單理解成操作碼的一部分。

數據通路在一個週期內可以完成對同一個寄存器的讀寫，這需要一定的精巧設計

1.數據通路時序

2.內存操作

數據通路處理數據的來源是內存，它與內存的通信方式有兩種

由內存地址寄存器（MAR）和內存數據寄存器（MDR）控制，按字尋址
由PC寄存器控制，把一個字節讀入MBR的低8位中，按字節尋址

例如把2放入PC寄存器，然後讀內存將得到內存第二個字節的值，該值保存至MBR的低8位。而把2放入MAR然後讀內存，結果是把字節8-11（第2個字）存入MDR。

總結來說，字節是尋址的最小單位。字是計算機一次處理數據的最大單位。 PC/MBR用於讀取指令系統層的可執行程序，程序由字節爲單位。MAR/MDR用於讀取指令系統層的數據字，數據由字爲單位。

但是，實際內存是面向字節的，即內存的物理地址按照字節計算的。針對32位的總線，把2放入MAR（讀取第二個字），實際是把8放入MAR開始讀取（從第8個字節開始讀），也就是說字的實現需要採用某種映射方式。一種最爲簡單的映射方法是將MAR中的內容左移兩位，再放到地址總線上。

微指令

爲了控制一次數據通路，我們一條指令需要29個（24個）控制信號：

6個控制ALU和2個控制移位器的信號（一個選擇左/右移的功能，另一個使能或者是時間脈衝）
9個來自C總線的數據寫入寄存器的使能
9個輸出到B總線的寄存器使能（不需要同時使能，因此可以用譯碼器使能，4個信號線即可）
2個MAR/MDR指示內存數據讀寫的信號
1個PC/MBR指示內存讀寫的信號

再加上一些附加字段（下一條指令），構成了36位的一條指令結構

微指令控制

數據通路與控制數據通路的控制器，兩者構成了完整的微體系結構

控制存儲器保存着所有微指令，每條微指令構成一個字，對應一個地址，一個字36位，需要512個不同的地址。把控制存儲的地址寄存器稱爲微程序計數器（MPC），數據寄存器稱爲微指令寄存器（MIR）
微指令沒有順序執行的特性，按照指令中的下一條地址來跳轉運行。當MIR加載並穩定後，MIR中的下一條指令地址信息加載到MPC中去了。
說明下操作下一條指令地址的寄存器JAM。JAM寄存器有三位、JMPC、JAMN、JAMZ。當三位都爲0時候，地址就是下一條指令的地址，當JAMN或者JAMZ置位後，下一條地址的情況就要取決於ALU此時的N狀態或Z狀態（狀態標誌位），JMPC置位實現MBR與Addr的相或，實現地址的跳轉

二、如何用微指令實現指令系統層的指令

我們已經知道微指令是用來實現指令系統層的指令的，即完成一條指令系統層的指令需要運行多條微指令來實現。那麼具體而言，一條指令系統層的指令是由哪些微指令構成，又是怎麼運行的呢？閱讀完本節你需要回答清楚這個問題。

我們必須挑選一個指令系統層的指令作爲例子來闡述，本書挑選的是IJVM，即探如何用微指令Mic-1構成指令系統IJVM。

下文先闡述IJVM的特點，再闡述Mic-1構成IJVM的機理。

指令系統層IJVM的特性

由於指令系統層是由微指令構成的，那麼瞭解指令系統層的特性就是了解微指令的特性。

棧

概念一

函數（或者稱爲過程、方法）有自己的局部變量，局部變量也需要保存在內存中的某些位置，能用一個絕對地址保存局部變量麼？

不行，舉個例子，函數嵌套調用時，需要保護現場，要把原本數據保存到其他地方，再調用嵌套函數。如果不保存，嵌套返回時，對應地址的信息就被破壞了。

因此選擇了一塊內存區域，稱爲棧，這一塊區域的寄存器都沒有自己的地址號，因爲這塊區域存儲的數據是在反覆進入/出去的。

形象地舉個栗子：絕對地址思想就像是一個人在某個城市（內存）買了一套房子，這套房子只歸這個人持有，他進行了一些房屋佈置，買了些家居（函數執行），然後有一天原主人要長期出差，這套房子空出來了。有一天，有個人偷偷住進了這套房子，他根本不知道原主人的存在，於是他把舊傢俱丟了，重新進行了房屋佈置（函數嵌套），住了一段時間這個人走了（嵌套的函數執行完了），這時候原主人出差回來了（返回現場），發現自己原本的裝修都沒有了。

想到一個更污的栗子：張三娶了一個老婆李四，每天過着性福的生活，某一天他突然被公司要求長期出差了。隔壁老王乘虛而入，也跟李四過上了性福的生活。老王有一天發生自己的精力不夠了，他離開了李四。這時候張三出差回來了，當天晚上他正準備與李四成長一番，惆悵的發現，自己的尺寸好像不匹配了。

棧的思想就像一個公寓，反正沒有房產權，你也不在乎地址的概念。現在來了一個人，他就住在第一間臥室裏面，他佈置了些家居。又來了另一個人，他於是住到第二件臥室去了，他也佈置了些家居，但他不會影響到第一個住客，等到有一天他真的不想住了，他也就不需要他的家居了，於是他離開了。這樣，第二間臥室又可以住進來新的租客了。

概念二

棧有兩個指針（房屋管理人記錄租客情況），寄存器LV指向當前過程的基地址，SP指向當前過程的最高一個字，LV與SP之間的數據結構成爲局部變量結構

概念三

棧的另一個用途是保存操作數，例如計算a1=a2+a3的過程如下

IJVM的內存模型

IJVM沒有直接可見的絕對內存地址，它是把內存分成了許多區域，然後提供各個區域的基地址，有以下區域：

常量池。寄存器CPP保存基地址
局部變量結構。寄存器LV保存基地址
操作數棧。看成局部變量結構的一部分，是在局部變量結構的上面開闢的一塊區域
方法區，保存二進制程序。寄存器PC指向下一條指令

IJVM指令集

大致截圖一下，看看結構就行了。

重點看看函數調用與函數返回時，棧空間的變化。

函數調用過程：原函數在執行，遇到了函數1調用，它先把指向函數1的指針壓入棧，然後把函數1定義的局部變量入棧，最後執行INVOKEVIRTUAL。函數1局部變量上面有一塊操作數棧，再上面纔是函數1的第一條可執行的指令，先會保存現場（保存原函數的PC和LV），然後讓LV指向當前局部變量空間的棧底。再之上就是新的調用函數2的棧結構了。
函數返回過程：利用保存的原函數的LV、PC進行現場恢復

最後我們看一下高級語言與指令系統層彙編語言的對應關係