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捷斯曼GESSMANN控制器設(shè)計步驟
2023-9-14 閱讀(529)
捷斯曼GESSMANN控制器設(shè)計步驟
1,、設(shè)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(shè)計:如寄存器設(shè)置,、總線安排、運算器設(shè)計,、部件間的連接關(guān)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(yīng)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(zhì),，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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhì),。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(fù)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(zhuǎn)移指令，則下一條要執(zhí)行的指令的地址是要轉(zhuǎn)移到的地址,。該地址就在本轉(zhuǎn)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(shè)計存在不便于設(shè)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(diào)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(diào)整個電腦有序工作極為重要,。
指令寄存器:用以保存當(dāng)前執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令的一種寄存器。指令內(nèi)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(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時,，先把它從內(nèi)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(dāng)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(nèi)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(dāng)?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(shè)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(dāng)程序的運行需要從一個程序段轉(zhuǎn)向另一個程序段時,，可以利用轉(zhuǎn)移指令來實現(xiàn),。轉(zhuǎn)移指令中包含了即將轉(zhuǎn)去的程序段入口指令的地址。執(zhí)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移程序段的目的。子程序的調(diào)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(nèi)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(guān),，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(wù),，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。
