计算机微程序设计与控制机制详解

# 计算机微程序设计与控制机制详解 ## 1. 内存周期与微指令 内存周期通过连续执行几条微指令来启动。首先，将地址置于内存总线上，并设置读写位以启动周期。以读周期为例，经过一段时间延迟后，另一条微指令将数据总线的内容读入临时寄存器。 在总线控制字段旁边，有两个特殊位： - **T（翻译）位**：检查是否存在待处理的中断请求。若存在，控制权将传递到控制存储器中的固定地址，以激活中断机制。在有中断待处理的情况下，该位可使引擎立即中止繁琐的微指令序列。 - **LRR（加载返回寄存器）位**：允许从返回寄存器加载到 μPC。当子程序的最后一条微指令设置了 LRR 位时，控制权将返回到调用后的下一条微指令。 低 16 位代表一个微操作，其前端有一个微操作码（μOP），分为四组： - **无条件跳转操作**：有一个 5 位的 μOP，后面跟着一个 11 位的 ROM 地址。 - **条件跳转操作**：有一个 4 位的 μOP，后面跟着一个 4 位的 CC（条件码）和一个 8 位的微代码地址。 - **文字微操作**：有一个 4 位的 μOP，后面跟着一个一字节的文字和一个 4 位的寄存器地址。 - **寄存器到寄存器操作**：每个操作有一个 8 位的 μOP，后面跟着两个 4 位的寄存器地址，reg A 和 reg B。 ## 2. 微代码引擎概述 微代码引擎具有硬连线逻辑，以支持 ROM 中解释器的执行，即 ROM 中的微代码驱动引擎。解释器用微汇编语言编写，微汇编器必须执行才能将每条语句转换为位串。设计微汇编器有两种方法： - **低级方法**：直接按照语句中明确指定的方式设置所有位。 - **高级方法**：使语句看起来像寄存器传输语言，微汇编器能够将类似英语的语法转换为位串。 微代码解释器在两个条件下编写： - 有一个指令管道，因此指令流的提取是自动的。 - 没有操作数管道，因此目标指令的执行是顺序的，即引擎不支持并行操作数执行。 ### 2.1 加法器内部结构 加法器有三个内部总线：输入 A、输入 B 和输出 C。该引擎是为两地址目标指令设计的，加法器输入 A 用于源操作数 1（sopd1），输入 B 用于源操作数 2（sopd2），加法器输出 C 路由到目标，即 sopd1。 ### 2.2 微指令格式 103 位微指令的格式包含六个字段：地址、序列控制、加法器控制、输入控制 A、输入控制 B、总线和通用控制。从最右侧开始，位编号从 0 到 102。 ## 3. 地址和序列控制 ### 3.1 地址字段（Addr <11:0>） 最右侧的 12 位字段包含大小为 4KW 的 ROM 中的微代码地址。 ### 3.2 序列控制字段（SC <18:12>） 7 位字段用于序列控制，决定从何处提取下一条微指令。其中，b12 是 opc（操作码控制）： - 如果 opc 被设置，Addr 中的高 4 位与 IR 中的操作码连接后路由到 μPC。 - 如果 opc 为 0，b13（BF，假分支）或 b14（BT，真分支）必须根据条件设置，用于序列控制。通常，在检索当前微指令后，μPC 会加 1，如果没有变化，则提取 ROM 中的下一条微指令。 ### 3.3 条件分支 序列控制有四种方式： 1. 如果 b12 被设置，Addr 中的高 4 位字段和 IR 中的 8 位操作码字节连接并复制到 μPC 以按操作码分支。 2. 如果指定条件为真，将 12 位的 Addr 从 μIR 复制到 μPC 以分支。 3. 指定条件始终为真，即无条件分支。 4. 指定条件始终为假，即无条件不分支。 当 opc 为 0 时，6 位 <18:13> 条件指定器决定是否分支。四个条件使能位 <18:15> 分别是 SE（符号使能）、OE（溢出使能）、ZE（零使能）和 CE（进位使能），后面跟着 BT 和 BF。每个使能位选择状态寄存器（SR）中的条件标志作为输入，逻辑示意图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; SE([SE]):::process --> S[/S/]:::process OE([OE]):::process --> O[/O/]:::process ZE([ZE]):::process --> Z[/Z/]:::process CE([CE]):::process --> C[/C/]:::process S --> EOR[/EOR/]:::process O --> EOR EOR --> OR[/OR/]:::process Z --> OR C --> OR BT([BT]):::process --> AND1[/AND/]:::process OR --> AND1 BF([BF]):::process --> AND2[/AND/]:::process NOTOR(¬):::process --> AND2 OR --> NOTOR AND1 --> RESULT[/结果/]:::process AND2 --> RESULT ``` 条件方程为： \[ condition = BT \times (((S \times SE) \oplus (O \times OE)) + Z \times ZE + C \times CE) + BF \times \neg (((S \times SE) \oplus (O \times OE)) + Z \times ZE + C \times CE) \] ### 3.4 无条件分支与不分支 - **无条件分支**：将 SE、OE、ZE、CE 和 BT 清为 0，将