微程序控制器把微指令存放在控制存储器中。执行机器指令时，控制器从控制存储器中逐条取出微指令，由微指令发出微命令，从而控制数据通路完成微操作。

它的核心思想是：

1	机器指令 -> 对应的微程序 -> 微指令序列 -> 微命令 -> 微操作

微程序控制器基本结构

硬布线控制器把控制规则做成组合逻辑；微程序控制器则把控制规则写成微程序并存入控制存储器。

基本术语

概念	含义
微命令	控制一个微操作的命令
微操作	数据通路中的基本动作，如 `(PC)->MAR`
微指令	一组微命令加上后继微指令地址信息
微程序	一组微指令序列，用来解释一条机器指令
控制存储器 `CM`	存放微程序的存储器，常用 ROM 实现
`CMAR`	控制存储器地址寄存器，也称 $\mu PC$，保存要读取的微指令地址
`CMDR`	控制存储器数据寄存器，也称 $\mu IR$，保存从 `CM` 读出的微指令

程序、机器指令、微程序、微指令之间的层次关系可以写成：

程序由机器指令组成
机器指令由微程序解释
微程序由微指令组成
微指令发出微命令
微命令控制微操作

一条机器指令对应一个微程序

取指周期的微指令序列通常被多条机器指令共用。物理存放上它像一个公共微程序段，但逻辑上仍可把“公共取指段 + 该指令执行段”看成这条机器指令对应的完整微程序。

# 微程序控制器的工作流程

微程序控制器执行时，反复做两类事情：

取出当前微指令，并让其中的操作控制字段发出控制信号；
形成下一条微指令地址，送入 CMAR。

基本流程为：

CMAR 给出微地址
-> CM 读出微指令
-> CMDR 保存微指令
-> 操作控制字段发出微命令
-> 顺序控制字段形成下一微地址
-> 下一微地址送入 CMAR

CMDR 中的微指令通常包含两大部分：

字段	作用
操作控制字段	指出本条微指令要发出哪些微命令
顺序控制字段	指出下一条微指令地址怎样形成

控制存储器中的微程序组织

控制存储器按地址存放微指令。常见组织方式是：

微程序段	作用
公共取指微程序	完成所有机器指令共有的取指操作
间址周期微程序	需要间接寻址时使用
中断周期微程序	响应中断时使用
各机器指令执行微程序	每条机器指令有自己的执行阶段微指令序列

若指令系统有 n 条机器指令，并且取指微程序公共使用，则控制存储器中至少需要保存：

1	n 个执行微程序 + 1 个公共取指微程序

如果该 CPU 支持间址周期和中断周期，还需要相应的公共微程序段。

微指令格式

微指令的基本格式可以抽象为：

微指令基本格式

1	操作控制字段 + 顺序控制字段

字段	解决的问题
操作控制字段	当前这一步发出哪些控制信号
顺序控制字段	下一条微指令去哪里取

水平型、垂直型和混合型微指令

类型	特点	优点	缺点
水平型微指令	采用微操作码，一条微指令可定义多个可并行微命令；其微程序段较扁平，所以水平	微程序短，执行速度快	微指令长，编写微程序较麻烦
垂直型微指令	一条微指令通常只定义一个微命令，由微操作码字段规定功能；其微程序段较瘦长，所以垂直	微指令短、规整，便于编写	微程序长，执行速度慢
混合型微指令	在垂直型基础上允许一定并行控制	折中微指令长度和执行速度	设计复杂度介于两者之间

相容微命令与互斥微命令

可以并行完成的微命令称为相容微命令；不能并行完成的微命令称为互斥微命令。微指令编码时必须考虑这件事。

# 微指令的编码方式

微指令编码方式是指对操作控制字段进行组织和表示的方式。

直接编码

直接编码又叫直接控制方式。操作控制字段中每一位代表一个微命令。

1 2	某一位为 1 -> 对应控制信号有效某一位为 0 -> 对应控制信号无效

优点	缺点
简单直观，执行速度快，并行性好	微指令字长很长；若有 `n` 个微命令，操作控制字段至少要 `n` 位

字段直接编码

字段直接编码把操作控制字段分成若干小段，每段经过译码后产生控制信号。

分段原则：

原则	含义
互斥微命令放在同一段	同一段一次只能译出其中一个控制信号
相容微命令放在不同段	不同段可以同时译出控制信号，从而并行执行
每段不宜太长	段太长会增加译码复杂度和译码时间
每段需要留出空操作状态	例如 3 位字段有 8 种状态，常用 `000` 表示不发出微命令，所以最多表示 7 个互斥微命令

字段直接编码常用于计算操作控制字段位数。

若某一互斥类有 m 个微命令，并且需要留出一个无操作状态，则该字段位数为$\lceil\log_{2}(m + 1)\rceil$

若共有多个互斥类，则各字段位数相加。

字段间接编码

字段间接编码又称隐式编码。某个字段中的微命令需要结合另一个字段的含义才能解释。

优点	缺点
可进一步缩短微指令字长	削弱并行控制能力，译码关系更复杂

字段间接编码通常作为字段直接编码的辅助手段。

微指令地址形成方式

下一条微指令地址从哪里来。

常见方式如下：

方式	含义
下地址字段指出	微指令中直接给出后继微指令地址，又称断定方式
根据机器指令操作码形成	取指结束后，由 `OP(IR)` 经微地址形成部件产生执行微程序入口地址
增量计数器法	`(CMAR) + 1 -> CMAR`，顺序取下一条微指令
分支转移	微指令中给出判别条件和转移地址
测试网络	根据外部条件或状态测试结果形成后继微地址
硬件产生入口地址	取指周期第一条微指令地址、中断周期入口地址可由硬件给出

断定方式下，若控制存储器中需要标识 N 条微指令的位置，则下地址字段至少需要$\lceil \log_{2} N \rceil$位。

取指周期的微程序执行

硬布线控制器中，取指周期可安排为：

节拍	微操作
`T0`	`(PC)->MAR`，`1->R`
`T1`	`M(MAR)->MDR`，`(PC)+1->PC`
`T2`	`(MDR)->IR`，`OP(IR)->ID`

微程序控制器也要完成这些微操作，但还要补充“取下一条微指令”的动作。

一种微程序控制器中的取指过程可写成：

节拍	动作	说明
`T0`	`(PC)->MAR`，`1->R`	微指令 `a` 发出取指开始的微命令
`T1`	`Ad(CMDR)->CMAR`	根据当前微指令的下地址字段取下一条微指令
`T2`	`M(MAR)->MDR`，`(PC)+1->PC`	微指令 `b` 发出读主存和 PC 自增的微命令
`T3`	`Ad(CMDR)->CMAR`	取下一条微指令
`T4`	`(MDR)->IR`，`OP(IR)->微地址形成部件`	微指令 `c` 完成指令装入与操作码送出
`T5`	`微地址形成部件->CMAR`	根据机器指令操作码进入对应执行微程序

微程序控制器通常更慢

它不仅要控制 CPU 数据通路，还要不断从控制存储器取微指令、形成下一微地址。因此同样的取指功能，使用微程序控制器可能需要更多节拍。

# 微程序控制单元的设计

微程序控制单元的设计可以按四步看：

步骤	内容
分析微操作序列	先写出各机器周期本来要完成的微操作
写出微操作命令与节拍安排	在硬布线节拍基础上，补充微程序控制器特有的取下一微指令操作
确定微指令格式	根据微命令数量确定操作控制字段；根据控制存储器规模确定顺序控制字段
编写微指令码点	按微指令格式填写每条微指令的控制位和下地址

确定微指令字长时要分两部分：

1	微指令字长 = 操作控制字段位数 + 顺序控制字段位数

其中：

字段	位数取决于
操作控制字段	微命令数量、编码方式、互斥类划分
顺序控制字段	控制存储器中需要寻址的微指令数量、后继地址形成方式

微程序设计分类

类型	含义
静态微程序设计	微程序不改变，常采用 ROM
动态微程序设计	可通过改变微指令和微程序改变机器指令，常采用 EPROM 等可改写存储器
毫微程序设计	用毫微程序解释微程序；毫微指令与微指令的关系，类似微指令与机器指令的关系

与硬布线控制器比较

对比项	微程序控制器	硬布线控制器
工作原理	微操作控制信号以微程序形式存放在控制存储器中，执行时读出	微操作控制信号由组合逻辑电路根据指令码、状态和时序即时产生
执行速度	较慢	较快
规整性	较规整	较烦琐、不规整
易扩充性	易扩充、易修改	扩充困难
常见场景	CISC CPU	RISC CPU

Summary

微程序控制器把复杂控制逻辑存储化。它牺牲速度，换来规整性和可修改性。