捷斯曼GESSMANN控制器設計步驟

1、設計機器的指令系統(tǒng):規(guī)定指令的種類、指令的條數(shù)以及每一條指令的格式和功能;

2、初步的總體設計:如寄存器設置、總線安排、運算器設計、部件間的連接關系等;

3、繪制指令流程圖:標出每一條指令在什么時間、什么部件進行何種操作;

4、編排操作時間表:即根據(jù)指令流程圖分解各操作為微操作，按時間段列出機器應進行的微操作;

5、列出微操作信號表達式，化簡，電路實現(xiàn)。

基本組成:

1、指令寄存器用來存放正在執(zhí)行的指令。指令分成兩部分:操作碼和地址碼。操作碼用來指示指令的操作性質，如加法、減法等;地址碼給出本條指令的操作數(shù)地址或形成操作數(shù)地址的有關信息(這時通過地址形成電路來形成操作數(shù)地址)。有一種指令稱為轉移指令，它用來改變指令的正常執(zhí)行順序，這種指令的地址碼部分給出的是要轉去執(zhí)行的指令的地址。

2、操作碼譯碼器:用來對指令的操作碼進行譯碼，產(chǎn)生相應的控制電平，完成分析指令的功能。

3、時序電路:用來產(chǎn)生時間標志信號。在微型計算機中，時間標志信號一般為三級:指令周期、總線周期和時鐘周期。微操作命令產(chǎn)生電路產(chǎn)生完成指令規(guī)定操作的各種微操作命令。這些命令產(chǎn)生的主要依據(jù)是時間標志和指令的操作性質。該電路實際是各微操作控制信號表達式(如上面的A→L表達式)的電路實現(xiàn)，它是組合邏輯控制器中最為復雜的部分。

4、指令計數(shù)器:用來形成下一條要執(zhí)行的指令的地址。通常，指令是順序執(zhí)行的，而指令在存儲器中是順序存放的。所以，一般情況下下一條要執(zhí)行的指令的地址可通過將現(xiàn)行地址加1形成，微操作命令"1"就用于這個目的。如果執(zhí)行的是轉移指令，則下一條要執(zhí)行的指令的地址是要轉移到的地址。該地址就在本轉移指令的地址碼字段，將其直接送往指令計數(shù)器。

捷斯曼GESSMANN控制器微程序控制器的提出是因為組合邏輯設計存在不便于設計、不靈活、不易修改和擴充等缺點。

控制器是指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調工作的部件，是計算機的神經(jīng)中樞和指揮中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序計數(shù)器PC(ProgramCounter)和操作控制器OC(OperationController)三個部件組成，對協(xié)調整個電腦有序工作極為重要。

指令寄存器:用以保存當前執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令的一種寄存器。指令內包含有確定操作類型的操作碼和指出操作數(shù)來源或去向的地址。指令長度隨不同計算機而異，指令寄存器的長度也隨之而異。計算機的所有操作都是通過分析存放在指令寄存器中的指令后再執(zhí)行的。指令寄存器的輸人端接收來自存儲器的指令，指令寄存器的輸出端分為兩部分。操作碼部分送到譯碼電路進行分析，指出本指令該執(zhí)行何種類型的操作;地址部分送到地址加法器生成有效地址后再送到存儲器，作為取數(shù)或存數(shù)的地址。

存儲器可以指主存、高速緩存或寄存器棧等用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到數(shù)據(jù)寄存器(DR)中，然后再傳送至IR。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)字組成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試，以便識別所要求的操作。指令譯碼器就是做這項工作的。指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號。

程序計數(shù)器:指明程序中下一次要執(zhí)行的指令地址的一種計數(shù)器，又稱指令計數(shù)器。它兼有指令地址寄存器和計數(shù)器的功能。當一條指令執(zhí)行完畢的時候，程序計數(shù)器作為指令地址寄存器，其內容必須已經(jīng)改變成下一條指令的地址，從而使程序得以持續(xù)運行。

為此可采取以下兩種辦法:

第一種辦法是在指令中包含了下一條指令的地址。在指令執(zhí)行過程中將這個地址送人指令地址寄存器即可達到程序持續(xù)運行的目的。這個方法適用于早期以磁鼓、延遲線等串行裝置作為主存儲器的計算機。根據(jù)本條指令的執(zhí)行時間恰當?shù)貨Q定下一條指令的地址就可以縮短讀取下一條指令的等待時間，從而收到提高程序運行速度的效果。

第二種辦法是順序執(zhí)行指令。一個程序由若干個程序段組成，每個程序段的指令可以設計成順序地存放在存儲器之中，所以只要指令地址寄存器兼有計數(shù)功能，在執(zhí)行指令的過程中進行計數(shù)，自動加一個增量，就可以形成下一條指令的地址，從而達到順序執(zhí)行指令的目的。這個辦法適用于以隨機存儲器作為主存儲器的計算機。當程序的運行需要從一個程序段轉向另一個程序段時，可以利用轉移指令來實現(xiàn)。轉移指令中包含了即將轉去的程序段入口指令的地址。執(zhí)行轉移指令時將這個地址送人程序計數(shù)器(此時只作為指令地址寄存器，不計數(shù))作為下一條指令的地址，從而達到轉移程序段的目的。子程序的調用、中斷和陷阱的處理等都用類似的方法。在隨機存取存儲器普及以后，第二種辦法的整體運行效果大大地優(yōu)于第一種辦法，因而順序執(zhí)行指令已經(jīng)成為主流計算機普遍采用的辦法，程序計數(shù)器就成為中央處理器的一個控制部件。

CPU內的每個功能部件都完成一定的特定功能。信息在各部件之間傳送及數(shù)據(jù)的流動控制部件的實現(xiàn)。通常把許多數(shù)字部件之間傳送信息的通路稱為"數(shù)據(jù)通路"。信息從什么地方開始，中間經(jīng)過哪個寄存器或多路開關，最后傳到哪個寄存器，都要加以控制。在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路的任務，是由稱為"操作控制器"的部件來完成的。

操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。