当CPU接收到一组0、1构成的二进制指令，准备去实现某项功能时，它有两种执行方法：

1. 对于组合逻辑电路，这串二进制指令就是电路的控制信号，操控电路产生结果。
2. 还有些场合，一串二进制指令实现不了某项功能，而是需要多串二进制指令共同作用，多次操作组合逻辑电路，最终产生正确的结果。这时候，这串二进制指令可能就是一个地址信息，从该地址顺序执行若干条二进制指令，这样一种方式称之为微体系结构。

一、微体系结构举例

阅读本节后回答以下问题：

1. 为什么提出微体系结构
2. 描述微体系结构
3. 微指令的构成？如何实现跳转？

数据通路

微体系结构中，要执行多条指令的被控对象称之为数据通路，数据通路中的ALU控制信号的0、1组合就决定了数据通路的功能，可以把这组控制信号简单理解成操作码的一部分。


数据通路在一个周期内可以完成对同一个寄存器的读写，这需要一定的精巧设计

1.数据通路时序

2.内存操作

数据通路处理数据的来源是内存，它与内存的通信方式有两种

1. 由内存地址寄存器（MAR）和内存数据寄存器（MDR）控制，按字寻址
2. 由PC寄存器控制，把一个字节读入MBR的低8位中，按字节寻址

例如把2放入PC寄存器，然后读内存将得到内存第二个字节的值，该值保存至MBR的低8位。而把2放入MAR然后读内存，结果是把字节8-11（第2个字）存入MDR。

总结来说，字节是寻址的最小单位。字是计算机一次处理数据的最大单位。 PC/MBR用于读取指令系统层的可执行程序，程序由字节为单位。MAR/MDR用于读取指令系统层的数据字，数据由字为单位。

但是，实际内存是面向字节的，即内存的物理地址按照字节计算的。针对32位的总线，把2放入MAR（读取第二个字），实际是把8放入MAR开始读取（从第8个字节开始读），也就是说字的实现需要采用某种映射方式。一种最为简单的映射方法是将MAR中的内容左移两位，再放到地址总线上。

微指令

为了控制一次数据通路，我们一条指令需要29个（24个）控制信号：

1. 6个控制ALU和2个控制移位器的信号（一个选择左/右移的功能，另一个使能或者是时间脉冲）
2. 9个来自C总线的数据写入寄存器的使能
3. 9个输出到B总线的寄存器使能（不需要同时使能，因此可以用译码器使能，4个信号线即可）
4. 2个MAR/MDR指示内存数据读写的信号
5. 1个PC/MBR指示内存读写的信号

再加上一些附加字段（下一条指令），构成了36位的一条指令结构

微指令控制

数据通路与控制数据通路的控制器，两者构成了完整的微体系结构

• 控制存储器保存着所有微指令，每条微指令构成一个字，对应一个地址，一个字36位，需要512个不同的地址。把控制存储的地址寄存器称为微程序计数器（MPC），数据寄存器称为微指令寄存器（MIR）
• 微指令没有顺序执行的特性，按照指令中的下一条地址来跳转运行。当MIR加载并稳定后，MIR中的下一条指令地址信息加载到MPC中去了。
• 说明下操作下一条指令地址的寄存器JAM。JAM寄存器有三位、JMPC、JAMN、JAMZ。当三位都为0时候，地址就是下一条指令的地址，当JAMN或者JAMZ置位后，下一条地址的情况就要取决于ALU此时的N状态或Z状态（状态标志位），JMPC置位实现MBR与Addr的相或，实现地址的跳转

二、如何用微指令实现指令系统层的指令

我们已经知道微指令是用来实现指令系统层的指令的，即完成一条指令系统层的指令需要运行多条微指令来实现。那么具体而言，一条指令系统层的指令是由哪些微指令构成，又是怎么运行的呢？阅读完本节你需要回答清楚这个问题。

我们必须挑选一个指令系统层的指令作为例子来阐述，本书挑选的是IJVM，即探如何用微指令Mic-1构成指令系统IJVM。

下文先阐述IJVM的特点，再阐述Mic-1构成IJVM的机理。

指令系统层IJVM的特性

由于指令系统层是由微指令构成的，那么了解指令系统层的特性就是了解微指令的特性。

栈

概念一

函数（或者称为过程、方法）有自己的局部变量，局部变量也需要保存在内存中的某些位置，能用一个绝对地址保存局部变量么？

• 不行，举个例子，函数嵌套调用时，需要保护现场，要把原本数据保存到其他地方，再调用嵌套函数。如果不保存，嵌套返回时，对应地址的信息就被破坏了。

因此选择了一块内存区域，称为栈，这一块区域的寄存器都没有自己的地址号，因为这块区域存储的数据是在反复进入/出去的。

形象地举个栗子：绝对地址思想就像是一个人在某个城市（内存）买了一套房子，这套房子只归这个人持有，他进行了一些房屋布置，买了些家居（函数执行），然后有一天原主人要长期出差，这套房子空出来了。有一天，有个人偷偷住进了这套房子，他根本不知道原主人的存在，于是他把旧家具丢了，重新进行了房屋布置（函数嵌套），住了一段时间这个人走了（嵌套的函数执行完了），这时候原主人出差回来了（返回现场），发现自己原本的装修都没有了。

想到一个更污的栗子：张三娶了一个老婆李四，每天过着性福的生活，某一天他突然被公司要求长期出差了。隔壁老王乘虚而入，也跟李四过上了性福的生活。老王有一天发生自己的精力不够了，他离开了李四。这时候张三出差回来了，当天晚上他正准备与李四成长一番，惆怅的发现，自己的尺寸好像不匹配了。

栈的思想就像一个公寓，反正没有房产权，你也不在乎地址的概念。现在来了一个人，他就住在第一间卧室里面，他布置了些家居。又来了另一个人，他于是住到第二件卧室去了，他也布置了些家居，但他不会影响到第一个住客，等到有一天他真的不想住了，他也就不需要他的家居了，于是他离开了。这样，第二间卧室又可以住进来新的租客了。

概念二

栈有两个指针（房屋管理人记录租客情况），寄存器LV指向当前过程的基地址，SP指向当前过程的最高一个字，LV与SP之间的数据结构成为局部变量结构

概念三

栈的另一个用途是保存操作数，例如计算a1=a2+a3的过程如下

IJVM的内存模型

IJVM没有直接可见的绝对内存地址，它是把内存分成了许多区域，然后提供各个区域的基地址，有以下区域：

1. 常量池。寄存器CPP保存基地址
2. 局部变量结构。寄存器LV保存基地址
3. 操作数栈。看成局部变量结构的一部分，是在局部变量结构的上面开辟的一块区域
4. 方法区，保存二进制程序。寄存器PC指向下一条指令

IJVM指令集

大致截图一下，看看结构就行了。

重点看看函数调用与函数返回时，栈空间的变化。

• 函数调用过程：原函数在执行，遇到了函数1调用，它先把指向函数1的指针压入栈，然后把函数1定义的局部变量入栈，最后执行INVOKEVIRTUAL。函数1局部变量上面有一块操作数栈，再上面才是函数1的第一条可执行的指令，先会保存现场（保存原函数的PC和LV），然后让LV指向当前局部变量空间的栈底。再之上就是新的调用函数2的栈结构了。
• 函数返回过程：利用保存的原函数的LV、PC进行现场恢复
  
  最后我们看一下高级语言与指令系统层汇编语言的对应关系
  

微指令Mic-1如何构成指令系统IJVM

微指令是一串36位的二进制数，多串二进制数，构成了一条IJVM的指令。微指令的二进制数实际结构不方便讲解，我们给每一条二进制的微指令用一句话来代替，方便讲解。合法的话如下图所示，DEST、SOURCE就是数据通路图中的那些寄存器。

除了上面这张图，还有几句等效的语言：

1. MAR/MDR读写数据用rd和wr表示。
2. PC/MBR读写操作码，用fetch表示

做了上述假设后，可以看看如何用微指令实现指令系统层的指令了，部分截图如下：

三、流水线思想

嵌入式CPU中，流水线的思想很重要，需要加以理解。最简单的理解就是，同一时间，微体系结构的不同部分能同时工作，处理不同批次的数据信息。

还有七段流水线的思想。

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