MAPAL CR-3N 30026298控制器設計步驟

、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。
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。
微程序
微程序控制(簡稱微碼控制)的基本思路是：用微指令產(chǎn)生微操作命令，一條指令的功能通過執(zhí)行一系列基本操作來完成，這些基本操作稱為微操作，每個微操作在相應控制信號的控制下執(zhí)行，這些控制信號在微程序設計中稱為微命令。微程序是一個微指令序列，對應于一條機器指令的功能，每條微指令是一個0/1序列，其中包含若干個微命令，它完成一個基本運算或傳送功能，有時也將微指令字，稱作控制字(controlword) [2]。
微程序控制器的組成：
1、控制存儲器（Control Memory）用來存放各機器指令對應的微程序。譯碼器用來形成機器指令對應的微程序的入口地址。當將一條機器指令對應的微程序的各條微指令逐條取出，并送到微指令寄存器時，其微操作命令也就按事先的設計發(fā)出，因而也就完成了一條機器指令的功能。對每一條機器指令都是如此。
2、微指令的寬度直接決定了微程序控制器的寬度。為了簡化控制存儲器，可采取一些措施來縮短微指令的寬度。如采用字段譯碼法一級分段譯碼。顯然，微指令的控制字段將大大縮短。，一些要同時產(chǎn)生的微操作命令不能安排在同一個字段中。為了進一步縮短控制字段，還可以將字段譯碼設計成兩級或多級。
CPU
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。
有兩種由于設計方法不同因而結構也不同的控制器。微操作是指不可再分解的操作，進行微操作總是需要相應的控制信號(稱為微操作控制信號或微操作命令)。一臺數(shù)字計算機基本上可以劃分為兩大部分---控制部件和執(zhí)行部件。控制器就是控制部件，而運算器、存儲器、外圍設備相對控制器來說就是執(zhí)行部件。控制部件與執(zhí)行部件的一種聯(lián)系就是通過控制線。控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常這種控制命令叫做微命令，而執(zhí)行部件接受微命令后所執(zhí)行的操作就叫做微操作。控制部件與執(zhí)行部件之間的另一種聯(lián)系就是反饋信息。執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況，以便使得控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的狀態(tài)來下達新的微命令，這也叫做“狀態(tài)測試"。微操作在執(zhí)行部件中是組基本的操作。由于數(shù)據(jù)通路的結構關系，微操作可分為
相容性和相斥性兩種。在機器的一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構成一條微指令。一般的微指令格式由操作控制和順序控制兩部分構成。操作控制部分用來發(fā)出管理和指揮全機工作的控制信號。其順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一個微指令的地址。事實上一條機器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。這個微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令組成的，那么當執(zhí)行當前的一條微指令的時候。必須指出后繼微指令的地址，以便當前一條微指令執(zhí)行完畢以后，取下一條微指令執(zhí)行。、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。
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。
微程序
微程序控制(簡稱微碼控制)的基本思路是：用微指令產(chǎn)生微操作命令，一條指令的功能通過執(zhí)行一系列基本操作來完成，這些基本操作稱為微操作，每個微操作在相應控制信號的控制下執(zhí)行，這些控制信號在微程序設計中稱為微命令。微程序是一個微指令序列，對應于一條機器指令的功能，每條微指令是一個0/1序列，其中包含若干個微命令，它完成一個基本運算或傳送功能，有時也將微指令字，稱作控制字(controlword) [2]。
微程序控制器的組成：
1、控制存儲器（Control Memory）用來存放各機器指令對應的微程序。譯碼器用來形成機器指令對應的微程序的入口地址。當將一條機器指令對應的微程序的各條微指令逐條取出，并送到微指令寄存器時，其微操作命令也就按事先的設計發(fā)出，因而也就完成了一條機器指令的功能。對每一條機器指令都是如此。
2、微指令的寬度直接決定了微程序控制器的寬度。為了簡化控制存儲器，可采取一些措施來縮短微指令的寬度。如采用字段譯碼法一級分段譯碼。顯然，微指令的控制字段將大大縮短。，一些要同時產(chǎn)生的微操作命令不能安排在同一個字段中。為了進一步縮短控制字段，還可以將字段譯碼設計成兩級或多級。
CPU
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。
有兩種由于設計方法不同因而結構也不同的控制器。微操作是指不可再分解的操作，進行微操作總是需要相應的控制信號(稱為微操作控制信號或微操作命令)。一臺數(shù)字計算機基本上可以劃分為兩大部分---控制部件和執(zhí)行部件。控制器就是控制部件，而運算器、存儲器、外圍設備相對控制器來說就是執(zhí)行部件。控制部件與執(zhí)行部件的一種聯(lián)系就是通過控制線。控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常這種控制命令叫做微命令，而執(zhí)行部件接受微命令后所執(zhí)行的操作就叫做微操作。控制部件與執(zhí)行部件之間的另一種聯(lián)系就是反饋信息。執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況，以便使得控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的狀態(tài)來下達新的微命令，這也叫做“狀態(tài)測試"。微操作在執(zhí)行部件中是組基本的操作。由于數(shù)據(jù)通路的結構關系，微操作可分為
相容性和相斥性兩種。在機器的一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構成一條微指令。一般的微指令格式由操作控制和順序控制兩部分構成。操作控制部分用來發(fā)出管理和指揮全機工作的控制信號。其順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一個微指令的地址。事實上一條機器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。這個微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令組成的，那么當執(zhí)行當前的一條微指令的時候。必須指出后繼微指令的地址，以便當前一條微指令執(zhí)行完畢以后，取下一條微指令執(zhí)行。