硬连线控制器CPU设计

目录

目录 (i)

摘要 (ii)

Abstract (iii)

第一章课题背景 (1)

1.1 设计目的 (1)

1.2 设计原理 (1)

第二章设计简介及设计方案论述 (2)

2.1 单元电路设计 (2)

第三章详细设计 (4)

3.1 芯片介绍 (4)

3.2 指令系统结构及功能确定 (6)

第四章设计结果及分析 (7)

4.1 设计结果分析 (7)

摘要

硬连线控制器是由基本逻辑电路组成的，对指令中的操作码进行译码，并产生相应的时序控制信号的部件，又称组合逻辑控制器。硬连线控制器由指令部件、地址部件、时序部件、操作控制部件和中断控制部件等组成(参见“中央处理器”条目中的控制器部分)。其中操作控制部件用来产生各种操作控制命令，它根据指令要求和指令流程，按照一定顺序发出各种控制命令。操作控制部件的输人信号有:指令译码器的输出信号、时序信号和运算结果标志状态信号等。设计时根据指令流程、操作时间表得到各种操作控制命令的逻辑表达式，可采用由基本逻辑电路（与门、或门、与非门等）组成的逻辑网络来实现。也可采用可编程逻辑器件PLD来实现。PLD的“与”阵列及“或”阵列和操作控制命令的“与一或”逻辑表达式相对应，为设计组合逻辑控制器提供了一种理想器件。80年代出现的通用阵列逻辑电路〔GAL与PAL(参见专用逻辑集成电路)）具有与可编程逻辑器件PLD类似的结构，它不但可编程并且是可擦除的，为设计提供了更大的灵活性。组合逻辑控制器的最大优点是速度快。但因其线路复杂而且不规整，不便于调试、维护、修改，也不便于仿真不同的机器的指令集。

关键词：硬连线控制器；基本逻辑

Abstract

Hard wired controller is composed of the basic logic circuits, decodes the instruction in the operation code, andproduce the corresponding sequential control signal components, also called combined logic controller. Hard wired controller by the instruction unit, address components, temporal parts, operation control part and the interrupt controlcomponents etc. (see "the controller part central processor" in entry). The operation control unit is used for generating various operation control command, it according to the instructions and instruction process, according to the order of the control commands issued. The operation of part of the control input signal: the instruction decoderoutput signals, timing signals and operation results indicating the status signal. The design according to theinstruction flow, operation schedule obtained logical expression of various operation control command, can beadopted by the basic logic circuits (and gate, or gate and NAND gate logic network composition etc.) to realize. Can also adopt the programmable logic device PLD to realize. PLD "and" and "or" array and array operation control command "and or" logical expression corresponding, providing an ideal device for the design of combinational logic controller. GAL and PAL generic array logic circuit (80 of the 1980s (see special logic integrated circuit)) withprogrammable logic device structure similar to the PLD, it is not only a programmable and erasable, provides more flexibility to design. The biggest advantage combinational logic controller is fast. But because of the circuit complex and irregular, not easy to debug, maintain, modify, also not easy for machines with different instruction set simulation.

Keywords：Hard wired controller；basic logic

第一章课题背景

自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机技术在元件器件、硬件系统结构、软件系统、应用等方面，均有惊人进步，现代计算机系统小到微型计算机和个人计算机，大到巨型计算机及其网络，形态、特性多种多样，已广泛用于科学计算、事务处理和过程控制，日益深入社会各个领域，对社会的进步产生深刻影响。

电子计算机分数字和模拟两类。通常所说的计算机均指数字计算机，其运算处理的数据，是用离散数字量表示的。而模拟计算机运算处理的数据是用连续模拟量表示的。模拟机和数字机相比较，其速度快、与物理设备接口简单，但精度低、使用困难、稳定性和可靠性差、价格昂贵。故模拟机已趋淘汰,仅在要求响应速度快,但精度低的场合尚有应用。把二者优点巧妙结合而构成的混合型计算机，尚有一定的生命力。

现在的计算机绝大多是由冯·诺依曼计算机发展而来的，它由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成，在计算机中指令和数据以等同的地位存放在存储器中，并可以按地址寻访，指令和数据都是用二进制数表示，指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置，指令在存储器中按顺序存放。这些冯·诺依曼计算机的特点到现在还是在运用着，在这次的设计中这些只是可以帮助来更好的理解计算机系统，为设计提供一些依据，有助于找寻设计思路，完成计算机系统的设计工作。

计算机的核心部件CPU通常包含运算器和控制器两大部分。组成CPU的基本部件有运算部件，寄存器组，微命令产生部件和时序系统等。这些部件通过CPU内部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。

1.1 设计目的

（1）深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；

（2）深入学习计算机各类典型指令的执行流程；

（3）学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。

（4）在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。

（5）定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。

（6）通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。

1.2 设计原理

在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。