微程序控制器

大纲定位

五（四）控制器的功能和工作原理

要求：说清微程序控制器把控制信号"存起来"的思路，理解微指令、微程序、控制存储器三者关系，并能与硬布线方式对比。

考情分析

微程序控制器的考法有两类：综合题让你"写出某指令的微程序""分析微指令格式"；选择题则集中在水平型与垂直型微指令的区别上。两类题都建立在同一件事上——看懂一条微指令的每个字段控制什么。

基本概念

微程序控制器将每条机器指令的执行过程用一段微程序来实现。

层次关系：

$$\text{机器指令}\stackrel{\text{对应}}{\to }\text{微程序}\stackrel{\text{由}}{\to }\text{微指令序列}\stackrel{\text{包含}}{\to }\text{微操作}$$

概念	说明
微操作	CPU 的最基本操作，如"A → ALU"
微命令	控制微操作的信号（与控制信号对应）
微指令	一条微指令包含若干微命令，表示一个时钟周期内可并行执行的操作
微程序	实现一条机器指令的微指令序列
控制存储器（CM）	存放所有微程序的只读存储器

微程序控制器的结构

机器指令 IR
    │
    ↓ 操作码
  映射逻辑（入口地址形成电路）
    │
    ↓ 微程序入口地址
  微地址寄存器（μAR / CMAR）
    │
    ↓
  控制存储器（CM）
    │
    ↓ 读出微指令
  微指令寄存器（μIR / CMDR）
    │
    ├──→ 操作控制字段 ──→ 各微命令（控制信号）
    └──→ 顺序控制字段 ──→ 下条微指令地址 ──→ μAR

图 5.29　微程序控制器的基本结构
（袁春风《计算机组成与系统结构》第 3 版，见文末教材出处）

和硬布线的根本差别在于：控制信号不再由组合逻辑算出来，而是事先编好存进控制存储器，运行时按微地址一条条取出来。所以图上多了控制存储器、微指令寄存器和微地址形成部件这三块。

微指令格式

微指令包含两个主要字段：

• 操作控制字段：指明本条微指令需要发出哪些微命令
• 顺序控制字段：给出下一条微指令的地址（或计算方式）

水平型微指令

操作控制字段中每一位对应一个微命令，1 表示有效，0 表示无效。

$$\underset{\text{操作控制字段，}n\text{位}}{\underbrace{C_1{C}_2\dots C_n}}\underset{\text{顺序控制字段，}k\text{位}}{\underbrace{A_1{A}_2\dots A_k}}$$

特点：

• 微命令多则微指令字长大
• 并行性强：同一条微指令可同时激活多个微命令
• 微程序短（指令少），执行速度快
• 指令格式不规整，编写微程序较繁琐

垂直型微指令

操作控制字段使用操作码编码，类似于机器指令格式，每条微指令只完成少量操作。

$$\underset{\text{指定操作类型}}{\underbrace{\text{微操作码}}}\underset{\text{操作对象}}{\underbrace{\text{目的/源字段}}}\underset{\text{顺序控制}}{\underbrace{\text{下址字段}}}$$

特点：

• 微指令字长短，控制存储器空间小
• 并行性弱：通常一次只做一个操作
• 微程序长（指令多），执行速度较慢
• 格式规整，易于编写和理解

水平型微指令的编码方式

水平型微指令的操作控制字段有三种编码方式：

1. 直接编码（直接控制）

每一位直接对应一个微命令，1=有效，0=无效。

• 优点：简单直观，速度快（不需译码）
• 缺点：微指令字长大（微命令数=控制位数）

2. 字段直接编码

将互斥的微命令分成若干组（字段），每个字段内用二进制编码。$k$ 位编码可表示 $2^k-1$ 个微命令（全 0 表示该字段不发出任何命令）。

• 优点：显著缩短微指令字长
• 缺点：需要字段译码器，速度略慢
• 分组原则：互斥的微命令分在同一字段，相容的微命令分在不同字段

字段直接编码示例：某处理器有 20 个微命令，经分析可分为 4 组互斥的微命令，各组分别有 3、5、8、4 个微命令。

• 第 1 组：3 个微命令 + 1 个空操作 = 4 种状态，需 $\lceil {\log }_{2}4\rceil =2$ 位
• 第 2 组：5 + 1 = 6 种状态，需 $\lceil {\log }_{2}6\rceil =3$ 位
• 第 3 组：8 + 1 = 9 种状态，需 $\lceil {\log }_{2}9\rceil =4$ 位
• 第 4 组：4 + 1 = 5 种状态，需 $\lceil {\log }_{2}5\rceil =3$ 位

操作控制字段总共 $2+3+4+3=12$ 位（而直接编码需要 20 位，压缩了 40%）。

3. 字段间接编码

一个字段的含义取决于另一个字段的值，进一步压缩编码长度，但译码更复杂。

对比

对比项	水平型	垂直型
微指令字长	长	短
并行性	强	弱
微程序长度	短	长
执行速度	快	慢
编写难度	较复杂	简单

下址字段的获取方式

微指令执行完后，如何得到下一条微指令的地址？

1. 断定方式（下地址字段法）：微指令中有专门的下地址字段，直接给出后继微地址送入 μAR
2. 计数器方式：类似 PC 自增，μAR+1（顺序执行微程序时）
3. 条件转移：根据状态条件（CF、ZF 等）在两个地址中选一个
4. 由机器指令操作码映射：每条机器指令开始执行时，由操作码转换为微程序入口地址

下地址字段要几位

关键是"能指向控制存储器里的任何一条微指令"

断定方式的下地址字段要能表示控制存储器中全部微指令的地址，所以

$$\text{下地址字段位数}=\lceil {\log }_2(\text{微指令总条数})\rceil$$

难点全在微指令总条数怎么数——它不是指令条数，要把公共取指微程序也算进去：

$$\text{微指令总数}=\underset{\text{各指令的微程序}}{\underbrace{\text{指令条数}\times \text{每条指令的微指令数}}}+\underset{\mathbf{\text{别漏掉}}}{\underbrace{\text{公共取指微程序的微指令数}}}$$

公共取指微程序只有一份，所有指令共用，所以是加上去，不是乘进去。

例：某机采用微程序控制器，共 32 条指令，公共的取指微程序含 2 条微指令，各指令对应的微程序平均由 4 条微指令组成，采用断定法确定下条微指令地址。求下地址字段至少几位。

解：

$$\text{微指令总数}=32\times 4+2=130$$$$\text{下地址字段位数}=\lceil {\log }_{2}130\rceil =\mathbf{8}\text{位}$$

（$2^7=128<130\le 256=2^8$）

两个坑：① 漏掉公共取指的 2 条，算成 $\lceil {\log }_{2}128\rceil =7$；② 把"32 条指令"当成微指令数，算成 $\lceil {\log }_{2}32\rceil =5$。两个错数都在选项里。

微程序设计步骤

1. 分析每条机器指令的功能，写出微操作序列
2. 将同一时钟周期可并行的微操作归并为一条微指令
3. 编写微指令序列（微程序）
4. 确定每条微指令的下址字段
5. 将微程序存入控制存储器（ROM）

交互可视化

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例题

例1：某微程序控制器有20个微命令，采用水平型微指令。若顺序控制字段为8位，求微指令的最小字长。

解：水平型微指令中，操作控制字段每一位对应一个微命令，20个微命令需要20位。加上8位顺序控制字段，最小字长 = $20+8=28$ 位。

例2：某CPU有40条机器指令，每条指令的微程序平均包含6条微指令，另有公共的取指微程序包含3条微指令。控制存储器至少需要多少单元？

解：40条机器指令对应40段微程序，共 $40\times 6=240$ 条微指令。取指微程序是公共的，只需存一份，3条微指令。控制存储器至少需要 $240+3=243$ 个单元。

例3：水平型微指令和垂直型微指令各自的优缺点是什么？408考研中某题指出"微指令字长为50位，其中操作控制字段38位，采用直接编码"，这是哪种类型？

解：直接编码（每位对应一个微命令）是水平型微指令的特征。38位操作控制字段意味着最多可以同时发出38个微命令。水平型的优点是并行性强、微程序短、执行快；缺点是微指令字长大、编写复杂。

易混淆知识点

1. 控制存储器（CM）和主存是什么关系？

CM 是 CPU 内部的 ROM，存放微程序，CPU 取指时从主存取机器指令，取到后根据操作码从CM中读微指令。二者独立、互不干扰。CM 的地址由微地址寄存器（CMAR）给出，不占用主存地址空间。

2. 微指令周期和机器指令周期的关系？

一条机器指令的执行需要一段微程序，即多条微指令。每条微指令对应一个时钟周期。因此机器指令周期 = 该指令对应的微指令条数 $\times$ 微指令周期（时钟周期）。

3. 字段直接编码中的"全 0 表示不操作"为什么重要？

每个字段必须留一个编码表示"该组不发出任何微命令"。否则该字段在每个时钟周期都必须激活一个微命令，丧失了灵活性。所以 $k$ 位编码最多表示 $2^k-1$ 个微命令（而非 $2^k$ 个）。

4. 硬布线和微程序哪个快？

硬布线更快（组合逻辑直接产生控制信号，无须从 CM 读取微指令）。微程序更灵活（修改 CM 内容即可改变指令功能，适合 CISC）。现代 RISC 处理器普遍使用硬布线控制器。

考点清单

• 控制存储器（CM）存放微程序，是 ROM（只读），不是主存的一部分
• 取指微程序是公共微程序，所有机器指令共享
• 机器指令的操作码经过映射逻辑得到对应微程序的入口地址
• 水平型：字长长、并行性强、速度快；垂直型：字长短、并行性弱、速度慢
• 字段直接编码：互斥微命令分同一字段，$k$ 位表示 $2^k-1$ 个微命令（全 0 = 不操作）
• 微程序控制器修改灵活（改 ROM 内容），硬布线控制器速度快
• 微程序控制器适合 CISC（复杂指令集），如 x86 历史上的实现

真题练习

相关真题（5题）

2024Q132分2017Q182分2014Q182分2012Q182分2009Q192分

教材出处

• 微程序控制器的基本结构（图 5.29）：袁春风《计算机组成与系统结构》第 3 版 §5.3 多周期处理器，印刷页 p157

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