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微程序控制器是计算机控制单元的重要实现方式。它的核心思想是将执行机器指令所需的控制信号序列,以微程序的形式存储在控制存储器中。控制单元通过读取微程序来产生控制信号,驱动数据通路完成指令执行。这种设计具有灵活性高、易于修改和扩展的优点。
让我们以ADD R1逗号R2指令为例,分析控制信号序列。这条指令需要分解为五个微操作:首先将R2的内容送入ALU的A输入,需要R2输出使能信号;然后将R1内容送入ALU的B输入,需要R1输出使能信号;接着ALU执行加法运算,需要ALU加法控制信号;再将ALU结果送回R1,需要R1输入使能信号;最后准备执行下一条指令。每个微操作都对应特定的控制信号组合。
微指令格式是微程序控制器的核心设计要素。每条微指令包含两个主要部分:控制信号字段和下一微指令地址字段。控制信号字段是一组二进制位,每个位控制一个特定的硬件功能,如寄存器使能或ALU操作选择。下一微指令地址字段指示下一条要执行的微指令在控制存储器中的位置,可以是顺序地址或分支地址。这种格式设计使得微程序能够灵活地控制硬件执行复杂的操作序列。
控制存储器是微程序控制器的核心组件,用于存储所有的微程序。以ADD指令为例,其微程序从地址0x10开始存储。地址0x10存储第一条微指令,控制R2输出到ALU的A输入,下一地址指向0x11。地址0x11控制R1输出到ALU的B输入,下一地址指向0x12。地址0x12控制ALU执行加法运算,下一地址指向0x13。地址0x13控制ALU结果输出到R1,下一地址指向0x00,即取指令微程序的起始地址。这样形成了完整的微程序执行流程。
总结一下微程序控制器的存储逻辑实现:微程序控制器通过将控制信号序列以微程序的形式存储在控制存储器中,实现了灵活的指令控制。每条微指令包含控制信号字段和下一地址字段,形成完整的控制流程。控制存储器作为微程序的载体,通过顺序读取微指令来实现复杂机器指令的执行。这种设计方案具有高度的灵活性和可扩展性,是现代计算机控制单元的重要实现方式。