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微程序设计技术及其在计算机组成原理教学中作用的探讨
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黄勇
摘要：微程序设计技术是现代SISC指令系统设计的主要技术。介绍了计算机组成课程中微程序设计的关键环节，并讨论了微程序设计技术在计算机组成课程教学中的重要作用。
关键词：微程序设计;计算机组成;教学
《计算机组成原理》课程是计算机类本科专业的核心专业基础课程。它的先导课程有数字电子技术、汇编语言程序设计，后续课程有操作系统、微机原理与接口技术、计算机体系结构等课程。在一系列软硬件课程中起着承上启下的作用，是所有后续硬件专业课的基础和支撑。在各硬件及软件的课程中，该课程处于核心重点地位。本课程的教学目标是使学生掌握计算机五大功能部件的功能、基本组成、工作原理、设计方法及逻辑实现等有关的知识和技术，最终建立完整、清晰的计算机整机概念，并使学生具备对计算机系统整机和部件进行分析和设计的初步能力。
建立完整、清晰的计算机整机概念，是计算机组成原理学习的重要目标。整机目标的建立是让学生知道计算机各部件在计算机中扮演的角色、各部件是如何协调工作的，各部件协调工作的目标是在控制器的统一指挥下执行指令。这些目标的实现需要通过微程序设计的学习和实践。学生只有真正掌握微程序设计技术，并掌握指令设计和调试的全过程，才能建立计算机整机概念。因此在教学中，微程序设计是计算机组成原理教学的重点和难点，特别在实验教学中，更要加强微程序设计部分的实验。
1微程序设计的关键步骤
微程序设计的目的是实现机器的指令系统，属于硬件设计范畴。具体分为设计指令、确定指令的微程序流程、确定各微指令的地址、微指令代码化、指令调试等五个主要步骤。
1.1设计指令
对于计算机组成教学来说，设计指令就是设计模型机的指令系统。对此需要首先让学生深入熟悉模型机的数据通路图以及模型机的部件结构，知道在此硬件平台下，能设计哪些指令。比如说，如果模型机的运算器不支持乘除运算，则就不能设计乘除指令。在这个环节上要强调指令的执行是由对应的硬件去完成的，一台计算机指令系统越复杂，硬件就越复杂。还有，要把指令系统设计章节的理论贯穿到这里，让学生知道指令系统设计这一章在计算机组成课程中的作用。有的学生不理解计算机组成为什么学习指令系统的设计，事实上，指令系统的设计是计算机硬件设计的依据。在这里还有一点需要注意的，模型机的指令设计要设计输入输出指令、运算类指令、传送类指令及程序控制类指令等，寻址方式要涉及基本的寻址方式，这样，学生对指令的理解将更加深刻。
1.2确定指令的微程序流程图
程序设计需要给出程序流程图，程序流程图的确定是程序设计中关键步骤，同样，指令的设计也需要给出微程序流程图。微程序流程图用来说明为了完成指令定义的功能，计算机应该做哪些操作。这一步是微程序设计最基本也是最关键的环节。微程序流程图的确定需要知道指令执行的全过程，特别对于寻址方式的理解有很好的作用。在教学中，这一环节一定要讲清楚，作为重点来讲。以几个有代表性的指令详细分析，比如ADD[addr]指令，JMPaddr指令等。
1.3确定各微指令的地址
微程序流程的确定也就确定了为了实现这个指令功能，应该需要执行哪些微指令。下面应该确定各微指令在控制存储器的地址。在这里首先要把微指令地址确定的理论讲明白。包括起始微地址和后继微地址的确定方法。在此还需要结合模型机的控制存储器的空间使用情况来进行确定。这个环节中的讲解难点是采用一级功能转移确定起始微地址，可以用一个模型采用启发式方法让学生理解这个方法的要点，直接给出这个方法，学生很不容易理解为什么将指令编码作为起始微地址的一部分。
1.4微指令代码化
微指令代码化就是将各微指令转化成二进制编码，涉及微指令的功能、微指令格式及模型机数据通路图，这是一个综合的过程，也微程序设计的一个重难点。首先要把模型机的微指令格式及模型机数据通路图各控制点的功能讲明白，然后以二到三个微指令为重点分析代码化的过程。最后让学生来自己代码化几条微指令。在这里代码化的方法是重点，不需要对每条微指令代码化。
1.5指令调试
把微指令代码化后的各微指令存入到模型机的控制存储器，也就完成了指令设计的主要过程。剩下的就是调试每个指令是不是达到设计要求。调试就是用已经设计好的指令编写一段简单的程序，这个程序要包括所有的指令，然后在模型机上运行这段程序，看看这程序上的每个指令的执行过程是否和设计的一样。在这里，有一套能够反映指令执行过程的实验设备和软件是关键。有的计算机组成原理实验设备能够很好的展现模型机的数据通路图，还能动态的显示每条微指令执行时数据的流动过程及各控制点的反映，并显示执行的是哪条微指令。观察指令的执行过程是微程序