捷斯曼GESSMANN控制器設計步驟

1、設計機器的指令系統:規定指令的種類、指令的條數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。

基本組成:

1、指令寄存器用來存放正在執行的指令。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地址或形成操作數地址的有關信息(這時通過地址形成電路來形成操作數地址)。有一種指令稱為轉移指令，它用來改變指令的正常執行順序，這種指令的地址碼部分給出的是要轉去執行的指令的地址。

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。微操作命令產生電路產生完成指令規定操作的各種微操作命令。這些命令產生的主要依據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，它是組合邏輯控制器中最為復雜的部分。

4、指令計數器:用來形成下一條要執行的指令的地址。通常，指令是順序執行的，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行的指令的地址可通過將現行地址加1形成，微操作命令"1"就用于這個目的。如果執行的是轉移指令，則下一條要執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調工作的部件，是計算機的神經中樞和指揮中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序計數器PC(ProgramCounter)和操作控制器OC(OperationController)三個部件組成，對協調整個電腦有序工作極為重要。

指令寄存器:用以保存當前執行或即將執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，作為取數或存數的地址。

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行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存取到數據寄存器(DR)中，然后再傳送至IR。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數字組成。為了執行任何給定的指令，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。操作碼一經譯碼后，即可向操作控制器發出具體操作的特定信號。

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

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。根據本條指令的執行時間恰當地決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功能，在執行指令的過程中進行計數，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。轉移指令中包含了即將轉去的程序段入口指令的地址。執行轉移指令時將這個地址送人程序計數器(此時只作為指令地址寄存器，不計數)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于第一種辦法，因而順序執行指令已經成為主流計算機普遍采用的辦法，程序計數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據的流動控制部件的實現。通常把許多數字部件之間傳送信息的通路稱為"數據通路"。信息從什么地方開始，中間經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據通路的任務，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指令操作碼和時序信號，產生各種操作控制信號，以便正確地建立數據通路，從而完成取指令和執行指令的控制。