确定微指令地址的两种方法

一、微程序控制器：从指令到微操作

关系图示：

                  ┌────────────────────────┐
                  │      机器指令 (如 ADD)   │
                  └────────────┬───────────┘
                               ↓ (解释执行)
                  ┌────────────────────────┐
                  │     微程序 (ADD的微程序) │
                  └────────────┬───────────┘
                               │ 存放在 "控存(CM)" 中
                               ↓
  ┌─────────────────┬─────────────────┬─────────────────┐
  │  微指令 1       │  微指令 2       │      ...        │
  └──────┬──────────┴──────┬──────────┴──────┬──────────┘
         │                  │                 │
         ↓                  ↓                 ↓
┌────────┴───────┐ ┌────────┴───────┐ ┌────────┴───────┐
│ 微命令集合 1   │ │ 微命令集合 2   │ │      ...       │
└────────┬───────┘ └────────┬───────┘ └────────┬───────┘
         │                  │                 │
         ↓                  ↓                 ↓
┌────────┴───────┐ ┌────────┴───────┐ ┌────────┴───────┐
│  微操作集合 1  │ │  微操作集合 2  │ │      ...       │
└────────────────┘ └────────────────┘ └────────────────┘

2. 微程序控制器基本工作流程

  1. 取指阶段：CPU从主存中取出一条机器指令，存入指令寄存器（IR）。这个过程本身也是由一个固定的“取指微程序”来完成的。

  2. 地址映射：指令寄存器（IR）中的操作码（OP）字段被送到一个起始和转移地址发生器（或称为微地址映射逻辑）。该部件根据操作码，生成这条指令对应的微程序的入口地址。

  3. 取微指令：将该入口地址送入微程序地址寄存器 (μPC 或 μMAR)。

  4. 执行微指令：根据μPC中的地址，从控存(CM)中读出相应的微指令，存入微指令寄存器 (μIR)。

  5. 产生控制信号：μIR中的操作控制字段经过译码后，产生出所需的微命令，控制CPU各功能部件完成相应的微操作。

  6. 确定后继地址：μIR中的顺序控制字段，结合CPU的状态标志等信息，通过地址转移逻辑，生成下一条微指令的地址，并送回μPC。

  7. 重复步骤4-6，直到当前微程序执行完毕。微程序最后一条微指令会引导CPU返回到“取指微程序”的开头，以执行下一条机器指令。

二、微指令的编码方式

微指令的操作控制字段如果每个比特位都直接对应一个微命令（称为直接控制法或水平型微指令），会导致微指令非常长，浪费宝贵的控存空间。因此，必须对其进行编码。

1. 编码方式

在第一张图中，操作控制字段 那一长串 1000...0010 就是经过编码后的结果。

三、寻址的艺术：后继微指令地址的确定

这是微程序控制器的核心和难点。如何高效、灵活地从一条微指令转移到下一条？我们结合你提供的两张图来详细分析。

方式一：增量计数法 (Sequential + Branching)

Pasted image 20250814232056.png
这种方式是早期和基础的设计，其核心思想是**“顺序执行为主，转移执行为辅”**。

原理与图解分析 (参考图一):

  1. 结构核心：在控制器中有一个微程序计数器 (μPC)。

  2. 默认操作：在大多数情况下，执行完当前微指令后，μPC会自动加1（μPC <- μPC + 1），从而指向控存中的下一条微指令。这对应了图中 μPC 下方的 +1 逻辑。

  3. 转移控制：微指令中设置一个转移控制字段（或称判别测试字段，图中标记为 BrCtr）。该字段的值决定了是否要“打破”默认的 +1 规则。

  4. 图一中的 BrCtr 逻辑分析：

    • BrCtr = 10：按顺序执行。这是最常见的模式，此时选择 μPC + 1 的结果作为下一条微指令地址。

    • BrCtr = 00：无条件转移到取指微程序。这通常是一段微程序执行结束的标志。它会强制将一个固定的地址（通常是 0000，即取指微程序的入口）载入μPC。

    • BrCtr = 01：按操作码转移。这发生在取指微程序结束之后。此时，会根据指令寄存器IR中的操作码 IR(OP)，通过地址产生器（图中的ROM）计算出对应指令（如ADD、SUB）的微程序的入口地址，并载入μPC。

优点：

缺点：

方式二：断定法 / 下地址字段法 (Dispatching / Two-Address Format)

Pasted image 20250814232119.png
为了解决增量法的冗余问题，引入了这种更为灵活的方式。其核心思想是**“每条微指令都明确指出下一条微指令的地址”**。

原理与图解分析 (参考图二):

  1. 结构核心：微指令格式被扩展，增加了一个下地址字段。去除了μPC的自增 +1 功能。

  2. 基本操作：在绝大多数情况下，下一条微指令的地址直接从当前微指令的下地址字段中获得。

  3. 转移控制：转移控制字段 (BrCtr) 的作用变为“裁决”下一地址的来源，实现更复杂的多路转移（Multi-way Branch），这也是“断定法”名称的由来。

  4. 图二中的 BrCtr 逻辑分析：

    • BrCtr = 10：直接转移。将当前微指令的“下地址”字段的内容送入μPC。如图中地址0000的微指令，其下地址是0001，执行完0000后就跳到0001。

    • BrCtr = 00：无条件转移到取指微程序。和方式一类似，强制加载0000。

    • BrCtr = 01：断定转移 / 操作码多路转移。这是该方法最精髓的部分。它用于解决方式一的冗余问题。

      • 场景：假设所有指令的微程序第一步都是相同的（如公共的取数操作），存放在地址 P。执行完 P 之后，需要根据具体是ADD还是SUB指令，分别跳转到各自后续的微指令（比如ADD的第二步在地址 A，SUB的第二步在地址 B）。

      • 实现：当BrCtr=01时，地址转移逻辑会利用IR(OP)作为输入（如图中ROM1和ROM2），直接“断定”出下一条地址是 A 还是 B，并载入μPC。这样，公共的微指令（地址P）只需要存储一份即可，ADD和SUB微程序共享了它，大大节省了控存空间。图中所示的“跳转到SUB或ADD的第二条微指令执行”就是这个意思。

优点：

缺点：

总结对比

特性 增量计数法 断定法 (下地址字段法)
后继地址来源 默认 μPC+1，特殊情况由转移字段指定 默认来自微指令的“下地址”字段，特殊情况由转移字段裁决
μPC功能 计数器，具备 +1 功能 仅为地址寄存器，无 +1 功能
微指令字长 较短 较长（因有下地址字段）
控存总容量 可能较大（因微指令冗余） 可能较小（因共享微程序，总条数少）
灵活性 较差 很高

关于两个ROM

“断定法”中双ROM的精确分工与协同

ROM1负责根据指令操作码（OP）生成微程序的“起始地址”，用于启动一个全新的指令周期；ROM2则负责在微程序执行中途，根据操作码（OP）实现多路分支，跳转到不同的“后续分支地址”。

详细解释与图解分析

我们再来看这张“断定法”的结构图，并结合图上BrCtr的具体注释来理解：

1. ROM1：起始地址映射器 (Initial Address Mapper)

2. ROM2：断定/分支地址映射器 (Dispatch/Branch Mapper)

3. “下地址”字段：顺序执行的保障