(1) 微命令与微操作#

在微程序控制的计算机中，控制部件向执行部件发出的最基本控制信号称为微命令，它是构成控制序列的最小单位。例如，使能某个寄存器的写入信号、打开数据通路中的控制门等。执行部件接收到微命令后所执行的具体动作称为微操作，二者一一对应。

微命令可分为两类：相容性微命令是指可同时有效、协同完成某一功能的微命令；互斥性微命令是指在同一时刻不允许同时有效的微命令。

NOTE

硬布线控制器中同样存在微命令与微操作的概念，只是其实现方式不同。

(2) 微指令与微周期#

微指令是若干微命令的集合，通常包含两个字段：

1. 操作控制字段（又称微操作码字段）：用于生成当前步骤所需的微操作控制信号。
2. 顺序控制字段（又称下址字段）：用于确定下一条微指令的地址。

微周期是执行一条微指令所需的基本时间单位，通常为一个时钟周期。

(3) 主存储器与控制存储器#

主存储器用于存放程序和数据，位于CPU外部，通常用RAM实现。控制存储器用于存放微程序，位于CPU内部，通常用ROM实现。控制存储器中每个存储单元的地址称为微地址。

(4) 程序与微程序#

微程序和程序是两个不同的概念。程序是指令的有序集合，由软件开发者编写，用于完成特定功能，最终存放在主存或辅存中；微程序是微指令的有序集合，由计算机体系结构设计者编写，用于解释和执行机器指令，固化于控制存储器中。微程序本质上是机器指令的硬件级解释逻辑。对程序员而言，微程序的存在完全透明，无须了解其内部结构。

为准确理解微程序控制器的工作机制，需要区分以下关键寄存器：

1. 地址寄存器(MAR)，存放主存读/写地址。
2. 微地址寄存器（μPC或CMAR），存放待执行微指令在控制存储器中的微地址。
3. 指令寄存器(IR)，存放从主存读出的当前机器指令。
4. 微指令寄存器（μIR或CMDR），存放从控制存储器读出的当前微指令。

(1) 微程序控制器的基本组成#

微程序控制器的基本结构，主要由以下部件构成：

1. 微地址形成部件，根据机器指令的操作码生成对应微程序的入口地址，并依据当前微指令的顺序控制字段及状态条件，产生后续微地址，确保微指令有序执行。
2. 微指令地址寄存器，接收微地址形成部件提供的微地址，作为CM的读地址。
3. 控制存储器，微程序控制器的核心部件，用于存放所有机器指令对应的微程序。
4. 微指令寄存器，暂存从CM中读出的微指令，并将其操作控制字段和顺序控制字段分别送至执行单元和微地址形成部件。

(2) 微程序控制器的工作过程#

微程序控制器的工作过程是指计算机在微程序控制下执行机器指令的流程，具体如下：

1. 执行取指令公共操作。系统启动或每条指令执行完毕后，将取指微程序的入口地址（通常为CM的0号单元）送入 μPC。随后，从CM中读取首条取指微指令并送入 μIR。完成取指微程序后，从主存中取出的机器指令即被存入指令寄存器(IR)中。
2. 生成当前指令的微程序入口地址：根据IR中机器指令的操作码，通过微地址形成部件产生对应微程序的起始微地址，并送入 μPC。
3. 顺序执行微程序：从CM逐条读取微指令，送入 μIR 并执行，直至该微程序执行完毕。
4. 返回循环：当前机器指令对应的微程序执行结束后，控制器自动转移回取指微程序的入口（步骤1.），重新开始处理下一条机器指令。

整个流程不断循环，直至整个程序执行完毕。

(3) 微程序和机器指令#

一般而言，一条机器指令对应一个微程序。由于所有指令的取指操作相同，可将取指操作的微命令统一编写为一个公共的取指微程序，专门负责从主存读取指令并送入IR。此外，还可以为间址、中断处理等公共操作分别编写独立的微程序。因此，控制存储器中存储的微程序总数=机器指令条数+公共微程序数（如取指、间址、中断等）。

(1) 直接编码（直接控制）方式#

直接编码方式无须译码。微指令的操作控制字段中，每一位直接对应一个微命令。设计微指令时，若需发出某个微命令，只需将对应位设为1，否则设为0。每个微命令独立控制数据通路中的一个微操作。

该方式的优点是结构简单、直观，微命令可并行发出，执行速度快；缺点是微指令字长过长，若有 $n$ 个微命令，则操作控制字段需要 $n$ 位，导致控制存储器容量急剧膨胀。

(2) 字段直接编码方式#

字段直接编码将操作控制字段划分为若干互斥段。互斥性微命令被归入同一字段，相容性微命令则分配到不同字段。每个字段独立编码，经译码后在其所属的互斥微命令集中激活一个微命令。各字段之间相互独立，编码含义互不影响。

微命令字段分段需遵循以下原则：

1. 互斥性微命令应分配在同一字段，而相容性微命令应分布在不同字段。
2. 每个字段的位数不宜过多，以避免译码电路过于复杂或引入较大延迟。
3. 每个字段通常还需预留一个编码表示“本字段无操作”。例如，当字段长度为3位时，最多只能表示7个互斥的微命令，通常用000表示无操作。

该方式显著缩短了微指令字长，但因需要译码，执行速度略低于直接编码。

(3) 字段间接编码方式#

字段间接编码进一步压缩微指令长度。其基本思想是：某个微命令字段的实际含义，由另一个字段的编码共同决定。例如，字段A的编码001本身无固定意义，只有结合字段B的值（如B=0表示ALU操作，B=1表示存储器操作），才能确定001究竟代表加法还是写内存。

这种方法可以进一步缩短微指令字长，减少控制存储器的容量需求。然而，由于译码线路更为复杂，时间开销较大，因此仅适用于特定场合。

现举例说明。假设有两类互斥操作：ALU操作（加、减、与、或，共4种）和存储器操作（读、写、取指、间址，共4种）。在这8个微命令中，ALU操作彼此互斥，存储器操作彼此互斥，但ALU与存储器操作相容（可同时发生，如“加法+写内存”）。直接编码需8位，每位对应一个微命令；字段直接编码将其分为两个字段，每个字段3位（含无操作状态），共需6位；而字段间接编码仅用一个3位的操作字段，再加一个1位的类型字段指示其类别（例如，操作字段=001、类型字段=0表示ALU加法，操作字段=001、类型字段=1表示主存读），总共仅需4位。

(1) 水平型微指令#

从编码方式看，直接编码、字段直接编码和字段间接编码都属于水平型微指令。水平型微指令的操作控制字段中，每一位（或每一字段）直接对应一个微命令，置1表示有效，置0表示无效。一条水平型微指令可同时定义并执行多个并行的微操作。

其优点是并行能力强、执行效率高、微程序短；缺点是微指令字长长，编写微程序困难。

(2) 垂直型微指令#

采用类似机器指令的结构，在微指令中设置微操作码字段，通过译码产生控制信号。一条垂直型微指令通常显式定义一个基本微操作。

其优点是微指令短、格式规整，编写微程序简单；缺点是微程序长，执行速度慢，效率低。

水平型微指令与垂直型微指令的比较：

1. 水平型微指令并行能力强、灵活性强、效率高；垂直型在这些方面则表现较差。
2. 单条水平型微指令完成更多工作；垂直型需要多条微指令完成同等任务，耗时更长。
3. 水平型微指令字长长但编写的微程序短；垂直型则微指令字长短而微程序长。
4. 水平型微指令编写微程序的难度大；而垂直型类似于机器指令，更易于理解和编写。

(1) 硬布线控制器的特点#

硬布线控制器的优点在于其运行速度主要取决于电路延迟，因此执行速度快。然而，由于控制部件被实现为专门生成固定时序控制信号的组合逻辑电路，设计时以使用最少硬件资源并实现最高速度为目标。一旦设计完成，通常难以通过软件手段扩展或修改功能。

(2) 微程序控制器的特点#

与硬布线控制器相比，微程序控制器具有结构规整、灵活性强和易于维护的优势。其设计基于存储程序原理，便于对微程序进行修改与扩展。不过，由于每条微指令均需从控制存储器中读取，导致指令执行所需的微周期数增加，从而影响整体运行速度。

为便于比较，下面以表格的形式对比二者的不同，见表5.2。

表5.2 微程序控制器与硬布线控制器的对比