十二、微指令的格式：水平行微指令和垂直型微指令

目录

• 1. 水平型微指令
  • 核心特征：
  • 格式示例：
  • 优点：
  • 缺点：
• 2. 垂直型微指令
  • 核心特征：
  • 格式示例：
  • 优点：
  • 缺点：
• 对比总结
• 现代应用与发展

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微指令的两种主要格式：水平型微指令 和 垂直型微指令。

微指令是微程序控制器的基本控制单位，它直接控制CPU内部的数据通路（如ALU操作、寄存器选择、总线开关等）。微指令的格式设计直接影响着控制器的灵活性、执行速度和硬件复杂度。

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1. 水平型微指令

水平型微指令的设计理念是提供高度的并行性和直接的控制能力。

核心特征：

• 长指令字：一条水平微指令通常包含大量的位（bit）。
• 每一位或每一字段直接控制一个硬件部件：微指令中的每一个二进制位都直接对应一个具体的微操作（如“打开ALU输入A的门”、“将PC值加1”）。或者，指令被划分为多个字段，每个字段独立控制一个功能单元（如ALU、移位器、总线等）。
• 高并行性：由于控制信号是独立的，一条水平微指令可以在同一个CPU周期内同时启动多个并行的微操作（例如，同时进行寄存器读取、ALU运算和结果写回）。
• 硬件密集型：微程序控制器（微码存储器）需要很宽的存储字长，并且与控制信号之间的连接逻辑相对简单直接（通常只需简单的解码或甚至无需解码）。

格式示例：

假设一个简单的CPU，其水平微指令可能长这样（每一位代表一个控制信号）：

位位置	31	30	29	28	27	26	25	...	2	1	0
含义	RegA_Out	RegB_Out	ALU_Add	ALU_Sub	Shifter_En	Mem_Read	Mem_Write	...	RegC_In	CarryIn_En	Next_Addr

• 执行过程：要执行 RegA + RegB -> RegC 这个操作，一条微指令可能会将 RegA_Out、RegB_Out、ALU_Add 和 RegC_In 这几个位同时置为 1，其他位置 0。这样，在同一个时钟周期内，数据就从RegA和RegB流出，经ALU相加，结果被写入RegC。

优点：

• 执行速度快：极高的并行性使得完成一个机器指令所需的微指令条数很少。
• 控制灵活：可以对数据通路进行非常精细和直接的控制。

缺点：

• 微指令字很长：浪费了微码存储空间，因为很多位在大多数情况下是 0（未激活）。
• 编程复杂：微程序员（或编译器）需要深入了解硬件细节，手动优化并行操作，编写微程序难度大。

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2. 垂直型微指令

垂直型微指令的设计理念是模仿传统机器指令，通过编码和解码来减少微指令的字长。

核心特征：

• 短指令字：一条垂直微指令的位宽较窄，类似于普通的机器指令。
• 高度编码的字段：微指令由几个字段组成（如操作码字段、源寄存器字段、目的寄存器字段），每个字段需要经过解码器翻译后才能产生最终的控制信号。
• 低并行性：一条垂直微指令通常只指定一个或少数几个微操作。要完成一个复杂的操作，需要多条垂直微指令顺序执行。
• 软件友好型：编写垂直微程序更像是在用一套专用的汇编语言编程，无需过多关心底层硬件信号。

格式示例：

一个垂直微指令可能看起来像这样：

字段	操作码 (Opcode)	源寄存器1 (Src1)	源寄存器2 (Src2)	目的寄存器 (Dest)
位宽	4位	3位	3位	3位

• 操作码 (Opcode)：定义要执行的操作类型，如 0001 表示加法，0010 表示减法，0100 表示从内存加载等。

• 寄存器字段：指定操作涉及的寄存器编号。

• 执行过程：同样要执行 RegA + RegB -> RegC。

  1. 微指令的内容可能是：Opcode=ADD (0001), Src1=RegA (001), Src2=RegB (010), Dest=RegC (011)。
  2. 这条微指令被送入解码电路。
  3. 解码器根据操作码 0001 产生 ALU_Add=1 的信号；根据 Src1=001 产生 RegA_Out=1 的信号；以此类推。
  4. 最终，和水平微指令一样，所有必需的控制信号被激活。但关键在于，这条垂直微指令本身并不直接包含这些控制信号，而是通过解码间接生成的。

优点：

• 微指令字长短：极大地节省了微码存储空间（控制存储器）。
• 编程简单：微程序更紧凑，易于编写和维护，抽象层次更高。

缺点：

• 执行速度慢：并行性低，完成一个机器指令需要更多的微指令条数，从而需要更多的时钟周期。
• 灵活性差：控制信号经过了解码器，不如水平微指令直接，灵活性较低。

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对比总结

特性	水平型微指令	垂直型微指令
字长	长（可能上百位）	短（通常16-64位）
并行性	高（一条指令多个操作）	低（一条指令一个操作）
硬件复杂度	控制存储器宽，解码逻辑简单	控制存储器窄，但需要复杂的解码器
编程难度	高（需懂硬件细节）	低（类似汇编）
执行速度	快（指令条数少）	慢（指令条数多）
代码密度	低（存储空间利用率低）	高（存储空间利用率高）
控制方式	直接控制	间接编码控制

现代应用与发展

在现代处理器中，纯粹的水平或垂直微指令已不多见。通常采用折衷方案：

• 纳米码 (Nanocode)：采用两级微程序设计。
  1. 第一级（垂直型）：使用较短的垂直微指令（称为微码），负责复杂的流程控制（如分支、异常处理）。这节省了主控存储器的空间。
  2. 第二级（水平型）：第一级的微码输出指向一个纳米存储器的地址。纳米存储器中存放的是真正的高度并行化的水平型纳米指令，它们直接驱动硬件。这结合了两者的优点。

此外，动态微代码更新也成为现代CPU的一个特征，允许制造商通过微代码补丁来修复CPU设计中的错误（幽灵、熔断等漏洞的部分修复就依赖于此）。

总而言之，水平型微指令追求性能极致，而垂直型微指令追求设计紧凑。在实际中，根据不同的设计目标和应用场景，往往会采用混合或分层的策略。