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     美國PENN變頻控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器

PENN控制器（controller）是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作PENN控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。

PENN控制器分組合邏輯PENN控制器和微程序PENN控制器，兩種PENN控制器各有長處和短處。組合邏輯PENN控制器設(shè)計麻煩，結(jié)構(gòu)復雜，一旦設(shè)計完成，就不能再修改或擴充，但它的速度快。微程序PENN控制器設(shè)計方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴充都方便，修改一條機器指令的功能，只需重編所對應(yīng)的微程序；要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。具體對比如下：組合邏輯PENN控制器又稱硬布線PENN控制器，由邏輯電路構(gòu)成，靠硬件來實現(xiàn)指令的功能。

電磁吸盤PENN控制器：交流電壓380V經(jīng)變壓器降壓后，經(jīng)過整流器整流變成110V直流后經(jīng)控制裝置進入吸盤此時吸盤被充磁，退磁時通入反向電壓線路，PENN控制器達到退磁功能。

門禁PENN控制器：門禁PENN控制器工作在兩種模式之下。一種是巡檢模式，另一種是識別模式。在巡檢模式下，PENN控制器不斷向讀卡器發(fā)送查詢代碼，并接收讀卡器的回復命令。這種模式會一直保持下去，直至讀卡器感應(yīng)到卡片。當讀卡器感應(yīng)到卡片后，讀卡器對PENN控制器的巡檢命令產(chǎn)生不同的回復，在這個回復命令中，讀卡器將讀到的感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)傳送到門禁PENN控制器，使門禁PENN控制器進入到識別模式。在門禁PENN控制器的識別模式下，門禁PENN控制器分析感應(yīng)卡內(nèi)碼，同設(shè)備內(nèi)存儲的卡片數(shù)據(jù)進行比對，并實施后續(xù)動作。門禁PENN控制器完成接收數(shù)據(jù)的動作后，會發(fā)送命令回復讀卡器，使讀卡器恢復狀態(tài)，同時，門禁PENN控制器重新回到巡檢模式。

組合邏輯

組合邏輯PENN控制器由時序電路、指令譯碼電路和組合邏輯電路三部分組成。通過指令譯碼器確定當前執(zhí)行的指令，結(jié)合時序電路產(chǎn)生的節(jié)拍，共同作為組合邏輯電路的輸人結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號。組合邏輯PENN控制器是由復雜組合邏輯門電路和觸發(fā)器構(gòu)成，執(zhí)行速度快，因此在計算機結(jié)構(gòu)比如RISC中得到廣泛應(yīng)用。 [1]

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PENN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(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。

微程序PENN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。

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(yīng)控制信號的控制下執(zhí)行，這些控制信號在微程序設(shè)計中稱為微命令。微程序是一個微指令序列，對應(yīng)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PENN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(yīng)的微程序。譯碼器用來形成機器指令對應(yīng)的微程序的入口地址。當將一條機器指令對應(yīng)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(shè)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PENN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(shè)計成兩級或多級。

CPU

PENN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PENN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(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PENN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(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?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PENN控制器”的部件來完成的。

操作PENN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(shè)計方法不同因而結(jié)構(gòu)也不同的PENN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(yīng)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。PENN控制器就是控制部件，而運算器、存儲器、外圍設(shè)備相對PENN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?？刂撇考ㄟ^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?？刂撇考c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(jié)構(gòu)關(guān)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(gòu)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(gòu)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。