程序计数器:指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器,又称指令计数器。它兼有指令地址寄存器和计数器的功能。当一条指令执行完毕的时候,程序计数器作为指令地址寄存器,其内容必须已经改变成下一条指令的地址,从而使程序得以持续运行。
为此可采取以下两种办法:
**种办法是在指令中包含了下一条指令的地址。在指令执行过程中将这个地址送人指令地址寄存器即可达到程序持续运行的目的。这个方法适用于早期以磁鼓、延迟线等串行装置作为主存储器的计算机。根据本条指令的执行时间恰当地决定下一条指令的地址就可以缩短读取下一条指令的等待时间,从而收到提高程序运行速度的效果。
*二种办法是顺序执行指令。一个程序由若干个程序段组成,每个程序段的指令可以设计成顺序地存放在存储器之中,所以只要指令地址寄存器兼有计数功能,在执行指令的过程中进行计数,自动加一个增量,就可以形成下一条指令的地址,从而达到顺序执行指令的目的。这个办法适用于以随机存储器作为主存储器的计算机。当程序的运行需要从一个程序段转向另一个程序段时,可以利用转移指令来实现。转移指令中包含了即将转去的程序段入口指令的地址。执行转移指令时将这个地址送人程序计数器(此时只作为指令地址寄存器,不计数)作为下一条指令的地址,从而达到转移程序段的目的。子程序的调用、中断和陷阱的处理等都用类似的方法。在随机存取存储器普及以后,*二种办法的整体运行效果大大地优于**种办法,因而顺序执行指令已经成为主流计算机普遍采用的办法,程序计数器就成为*处理器不可或缺的一个控制部件。
设计步骤:
1、设计机器的指令系统:规定指令的种类、指令的条数以及每一条指令的格式和功能;
2、初步的总体设计:如寄存器设置、总线安排、运算器设计、部件间的连接关系等;
3、绘制指令流程图:标出每一条指令在什么时间、什么部件进行何种操作;
4、编排操作时间表:即根据指令流程图分解各操作为微操作,按时间段列出机器应进行的微操作;
5、列出微操作信号表达式,化简,电路实现。
相容性和相斥性两种。在机器的一个CPU周期中,一组实现一定操作功能的微命令的组合,构成一条微指令。一般的微指令格式由操作控制和顺序控制两部分构成。操作控制部分用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。其顺序控制部分用来决定产生下一个微指令的地址。事实上一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令组成的,那么当执行当前的一条微指令的时候。必须指出后继微指令的地址,以便当**条微指令执行完毕以后,取下一条微指令执行。
微程序控制器的组成:
1、控制存储器(contmlMemory)用来存放各机器指令对应的微程序。译码器用来形成机器指令对应的微程序的入口地址。当将一条机器指令对应的微程序的各条微指令逐条取出,并送到微指令寄存器时,其微操作命令也就按事先的设计发出,因而也就完成了一条机器指令的功能。对每一条机器指令都是如此。
2、微指令的宽度直接决定了微程序控制器的宽度。为了简化控制存储器,可采取一些措施来缩短微指令的宽度。如采用字段译码法一级分段译码。显然,微指令的控制字段将大大缩短。,一些要同时产生的微操作命令不能安排在同一个字段中。为了进一步缩短控制字段,还可以将字段译码设计成两级或多级。