精编计算机组成原理实验 2.9 硬布线控制器资料讲解
计算机组成原理 5.5 硬布线控制器..
如何解决？
如何解决？
假设执行过程分5段
如何解决？
例4：流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关； 读后写相关；写后写相关。判断以下三组指令各存 在哪种类型的数据相关。
(1) I1: I2: (2) I3: I4: (3) I5: I6:
ADD R1，R2，R3 ； (R2) + (R3)->R1 写后读 SUB R4，R1，R5 ； (R1) - (R5)->R4 STA M(x)，R3 ； (R3)->M(x)，M(x)存储单元 读后写 ADD R3，R4，R5 ； (R4)+(R5)->R3 MUL R3，R1，R2 ； (R1)×(R2)->R3 写后写 ADD R3，R4，R5 ； (R4) + (R5)->R3
P157,例3,写出控制信号的逻辑表达式
Tx在图中看不出来
总结：两种控制器比较微ຫໍສະໝຸດ 序 硬布线
执行速度 可扩展性 规整性 设计的难易程度 电路复杂程度 应用范围
5.7
流水CPU
一、并行处理技术(阅读) •并行的含义 •时间并行
•空间并行
•时间并行＋空间并行
二、流水计算机的系统组成（示例）
5.8 RISC CPU
读P171页 RISC概括的三个基本要素 RISC机器的特征是
小结
流水CPU的设计思想 有哪三种冲突
P175,例5，画时空图
P175,例5，画时空图
W2 W1 乘3 乘2 乘1 加2 加1
取/存
I1:M(A)->R1 I2:(R2)+(R1)->R2 I3:(R3)+(R4)->R3 I4:(R4)*(R5)->R4 I5:M(B)->R6 I6:(R6)*(R7)->R6
硬布线控制器.ppt
1）每条指令的指令周期不同
取指周期 指令周期
取指周期
执行阶段
指令周期
NOP ADD mem
取指周期
执行周期 指令周期
MUL mem
具有间接寻址的指令周期
取指周期
间址周期 指令周期
执行周期
带有中断周期的指令周期
取指周期
PC +1
IR
MAR CU MDR
存储器
2. 间址周期数据流
一旦取指周期结束，CU便检查IR中的内容，以确定是否有间 址操作，如果需间址操作，则MDR中指示形式地址的右N位 （记作Ad(MDR)）将被送到MAR，又送至地址总线，此后CU 向存储器发读命令，以获取有效地址并存至MDR。
CPU
地数 控 址据 制 总总 总 线线 线
总线
主
发/接
从
接/发
③优缺点：时间安排紧凑、合理；控制复杂。 ④应用场合： 用于异步总线操作(各挂接部件速 度差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。
（3）联合控制方式 ①不同指令安排不同时钟周期数 指令周期长度可变，时钟周期长度不变。 ②总线周期中插入延长周期 经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)
指令周期
……
工作周期1 工作周期2
工作周期n
….
时钟周期1
(节拍1)
时钟周期2
(节拍2)
时钟周期m
(节拍m)
….
….. ……….
工作脉冲1 工作脉冲2
工作脉冲k
● 时序关系：
晶振输出
工作脉冲P 对微操作定时
打入IR 打入PC
计算机组成原理第五章第5讲硬布线控制器模板PPT课件
若干个 节拍脉 冲
图5.29 硬布线控制器的指令周期流程图
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5.5 硬布线控制器
（3）微操作控制信号的产生
• 在硬布线控制器中，某一微操作控制信号由布 尔代数表达式描述的输出函数产生。
• 设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所 有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作 信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍 脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行 简化，然后用门电路或可编程器件来实现。
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5.5 硬布线控制器
（4）设计步骤
• ①画出指令流程图 • ②列出微操作时间表
将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周 期的相应节拍和脉冲中去；
微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条 件发出哪些微操作信号。
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5.5 硬布线控制器
③进行微操作信号的综合
当列出所有指令的微操作时间表之后，需 要对它们进行综合分析，把凡是要执行某一微 操作的所有条件(哪条指令、哪个机器周期、哪 个节拍和脉冲等)都考虑在内，加以分类组合， 列出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简 化，使逻辑表达式更为合理。
• 组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还需要 节拍电位信号。
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5.5 硬布线控制器
工作原理
• 当机器加电工作时，某一操作控制信号C在某 条特定指令和状态条件下，在某一时序信号的 特定节拍电位和节拍脉冲时间间隔中起作用， 从而激活这条控制信号线，对执行部件实施控 制。
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5.5 硬布线控制器
P167 图5.29
硬布线控制器
1
整体概述
概况一
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计算机组成原理实验报告
计算机组成原理实验报告实验报告运算器实验⼀、实验⽬的掌握⼋位运算器的数据传输格式，验证运算功能发⽣器及进位控制的组合功能。
⼆、实验要求完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运⽤。
三、实验原理实验中所⽤的运算器数据通路如图2-3-1所⽰。
ALU运算器由CPLD描述。
运算器的输出FUN经过74LS245三态门与数据总线相连，运算源寄存器A和暂存器B的数据输⼊端分别由2个74LS574锁存器锁存，锁存器的输⼊端与数据总线相连，准双向I/O 输⼊输出端⼝⽤来给出参与运算的数据，经2⽚74LS245三态门与数据总线相连。
图2-3-1运算器数据通路图中A WR、BWR在“搭接态”由实验连接对应的⼆进制开关控制，“0”有效，通过【单拍】按钮产⽣的脉冲把总线上的数据打⼊，实现运算源寄存器A、暂存器B的写⼊操作。
四、运算器功能编码算术运算逻辑运算K23~K0置“1”，灭M23~M0控位显⽰灯。
然后按下表要求“搭接”部件控制路。
表2.3.2 运算实验电路搭接表算术运算1.运算源寄存器写流程通过I/O单元“S7~S0”开关向累加器A和暂存器B置数，具体操作步骤如下：2.运算源寄存器读流程关闭A、B写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读A、B。
3.加法与减法运算令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），为算术加，FUN及总线单元显⽰A+B的结果令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），为算术减，FUN及总线单元显⽰A－B的结果。
逻辑运算1.运算源寄存器写流程通过“I/O输⼊输出单元”开关向寄存器A和B置数，具体操作步骤如下：2.运算源寄存器读流程关闭A、B写使能，令K17= K18=1，按下流程分别读A、B。
①若运算控制位设为（M S2 S1 S0=1111）则F=A，即A内容送到数据总线。
②若运算控制位设为（M S2 S1 S0=1000）则F=B，即B内容送到数据总线。
第20讲 硬布线控制器
+1 送M或ALU
运行状态
地址形成
D
OP
PSW
IR
来自M 产生脉冲型 微命令，控 制定时操作
5.时序线路
功能： 控制操作时间和操作时刻。
工作脉冲
振荡器
时钟脉冲
分频器
时钟周期(节拍)
产生电位 型微命令， 控制操作 时间段
微命令序列 I/O状态 控制台信息
送M
PC 微命令 发生器 时序 …... 译 码
例.一个总线周期包含4个时钟周期
T1 T2 T3 T4
结束
时钟
送地址 读/写数据
总线周期(4T) T1
时钟
送地址 读/写数据
同步方式
Tw T4 T4
结束
T2
T3
总线周期(5T)
扩展同步方式
③同步方式引入异步应答 以固定时钟周期作为时序基础，引入应答思想。
例.8088最大模式，用一根总线请求/应答线 实现总线权的转移。
送M
PC 微命令 发生器 时序 …... 译 码
寻
+1 送M或ALU
运行状态
地址形成
D
OP
PSW
IR
来自M
信号
3.指令寄存器IR
功能： 存放现行指令。 操作码字段 译码器
寻
决定操作 微命令发生器 性质
地址码字段
D
地址形成部件
操作数地址 转移地址
微命令序列 I/O状态 控制台信息
送M
PC 微命令 发生器 时序 …... 译 码
CPU使用 CPU使用 总线 总线 RQ/GT
若干时钟
设备使用 总线
若干时钟
CPU使用 总线
组成原理实验报告-基于硬布线控制器设计并实现
评语: 课中检查完成的题号及题数：课后完成的题号与题数：成绩: 指导教师:实验报告日期：2011-1-12实验名称：基于硬布线控制器设计并实现带中断功能的复杂模型机班级：学号：姓名：一、实验目的：1. 掌握硬布线控制器的组成原理、设计方法；2. 了解硬布线控制器和微程序控制器的各自优缺点；3. 掌握并会设计带中断功能的复杂模型机的硬布线控制器。
二、实验内容：1. 根据带中断功能的复杂模型机的微程序流图，画出状态机描述图；2. 分析每个状态所需的控制信号，产生控制信号表，并用VHDL语言来设计程序，实现状态机描述的功能；3. 用Quartus软件进行编译链接，选择器件，定义管脚，编程下载，然后用CM3P联机测试每一条机器指令的功能。
三、项目要求及分析：实验要求设计带中断功能的复杂模型机的硬布线控制器，可先参照前面带中断处理能力的模型机设计实验画出微程序流程图，参照二进制微代码表设控制信号表。
然后用VHDL语言编程实现，主要注意原P<1>—P<4>的修改，采用分支语句实现。
然后就是连线装载带中断处理能力的模型机微程序检验。
四、具体实现：应包括：状态图、控制信号表、控制引脚图、VHDL程序、机器码验证程序等。
2、控制状态表：INTA/WR/RD/IOM/S3/S2/S1/S0/LDA/LDB/LDR0/LDSP/L0AD/LDAR/LDIR/ALUB/RSB/RDB/RIB/SPB/PCB/LDPC/STI/CLI S0 100000000000100111111010S1 100000000000100111111011S2 100000000000110111110111S3 101000000000101111111011S4 100000000100100101111011S5 100010010010100011111011S6 100000000100100101111011S7 100000100010100011111011S8 101000000000110111111011S9 101100000010100111111011S10 101000000000110111111011S11 100000000000100111111011S12 101000000010100111111011S13 110000000000100110111011S16 110100000000100101111011 S17 101000000010100111111011 S18 110000000000100101111011 S19 100000001000100111101011 S20 100011010001100011111011 S21 100011000001100011111011 S22 100000000000110111101011 S23 101000000010100111111011 S24 100011000001100011111011 S25 100000000000110111101011 S26 101000000000000111111111 S27 100000000000000011111111 S28 101000001000100111111011 S29 101000000000110111111011 S30 101000000000110111111011 S31 101000001000100111111011 S32 101000000000110111111011 S33 000000000000110111101011 S34 110000000000100111110011 S35 100000001000100111101011 S36 100011010001100011111011 S37 000000000000110111111011 S38 101000000000000111111111 S39 101000001000100111111011 S40 100000000100100111011011 S41 100010010000110011111011 S42 100010011000100011111011 S43 101000001000100111111011 S44 100000000100100111110011 S45 100010010000110011111011 S46 100010011000100011111011 S47 100000001000100110111011 S48 100000001000100110111011 S49 100000000000110111110111 S50 100000000000110111110111 S51 100000000010100101111011 S52 100000000000100111111011 S53 100000000000110111110111 S54 100000000000100111111001 S55 100000000000100111111010 S56 100000000000110111101011 S57 100000001000100111101011 S58 1000000010001001111010114、VHDL程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.ALL;ENTITY CONTROLLER ISPORT(RESET : IN STD_LOGIC;T1 : IN STD_LOGIC;INTR : IN STD_LOGIC;INS : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);CTRL : OUT STD_LOGIC_VECTOR(23 DOWNTO 0));END CONTROLLER;ARCHITECTURE CONTROLLER_ARCH OF CONTROLLER ISTYPE STA TE IS (S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17,S18,S19,S20,S21,S22,S23,S24,S25,S26,S27,S28,S29,S30,S31,S32,S33,S34,S35, S36,S37,S38,S39,S40,S41,S42,S43,S44,S45,S46,S47,S48,S49,S50,S51,S52,S53,S54, S55,S56,S57,S58,S59,S60,S61,S62);SIGNAL CUFSM: STATE;--CTRL:INTA,WR,RD,IOM,S3,S2,S1,S0,LDA,LDB,LDRI,LDSP,LOAD,LDAR,LDIR,ALU_B,RS_B,RD_B,RI_B,SP_B,PC _B,LDPC,STI,CLIBEGINPROCESS (T1,RESET,INTR,INS)BEGINIF RESET = '0' THENCTRL <= "100000000000100111111010"; --CLICUFSM <= S0;ELSIF T1'EVENT AND T1 = '1' THENCASE CUFSM ISWHEN S0 =>CTRL <= "100000000000100111111011"; --中断判断CUFSM <= S1;WHEN S1 =>IF INTR='1' THENCTRL <= "000000000000110111101011"; --R0->BUS,BUS->ACUFSM <= S33;ELSE CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S2;END IF;WHEN S33=>CTRL <= "110000000000100111110011";CUFSM <= S34;WHEN S34=>CTRL <= "100000001000100111101011";CUFSM <= S35;WHEN S35=>CTRL <= "100011010001100011111011";CUFSM <= S36;WHEN S36=>CUFSM <= S37;WHEN S37=>CTRL <= "101000000000000111111111";CUFSM <= S38;WHEN S38=>CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S2;WHEN S2=>CTRL <= "101000000000101111111011";CUFSM <= S3;WHEN S3 =>IF INS(7 downto 4) = "0000" THEN --ADD INSCTRL <= "100000001000100110111011";CUFSM <= S47;ELSIF INS(7 downto 4) = "0001" THEN --AND INS CTRL <= "100000001000100110111011";CUFSM <= S48;ELSIF INS(7 downto 4) = "0010" THEN -- IN INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S49;ELSIF INS(7 downto 4) = "0011" THEN --OUT INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S50;ELSIF INS(7 downto 4) = "0100" THEN -- MOV INS CTRL <= "100000000010100101111011";CUFSM <= S51;ELSIF INS(7 downto 4) = "0101" THEN -- HLT INS CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S52;ELSIF INS(7 downto 4) = "0110" THEN -- LDI INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S53;ELSIF INS(7 downto 4)= "0111" THEN -- STI INSCUFSM <= S54;ELSIF INS(7 downto 4) = "1000" THEN -- CLI INSCTRL <= "100000000000100111111010";CUFSM <= S55;ELSIF INS(7 downto 4) = "1001" THEN -- PUSH INSCTRL <= "100000000000110111101011";CUFSM <= S56;ELSIF INS(7 downto 4) = "1010" THEN -- POP INSCTRL <= "100000001000100111101011";CUFSM <= S57;ELSIF INS(7 downto 4) = "1011" THEN -- INET INSCTRL <= "100000001000100111101011";CUFSM <= S58;ELSIF INS(7 downto 6) = "11" AND INS(3 downto 2) = "00" THEN -- 直接INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S59;ELSIF INS(7 downto 6) = "11" AND INS(3 downto 2) = "01" THEN -- 间接INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S60;ELSIF INS(7 downto 6) = "11" AND INS(3 downto 2) = "10" THEN -- 变址INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S61;ELSIF INS(7 downto 6) = "11" AND INS(3 downto 2) = "11" THEN -- 相对INS CTRL <= "100000000000110111110111";CUFSM <= S62;END IF;WHEN S47=>CTRL <= "100000000100100101111011";CUFSM <= S4;WHEN S4=>CTRL <= "100010010010100011111011";CUFSM <= S5;WHEN S5=>CTRL <= "100000000000100111111011";WHEN S48=>CTRL <= "100000000100100101111011";CUFSM <= S6;WHEN S6 =>CTRL <= "100000100010100011111011";CUFSM <= S7;WHEN S7=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S49=>CTRL <= "101000000000110111111011";CUFSM <= S8;WHEN S8=>CTRL <= "101100000010100111111011";CUFSM <= S9;WHEN S9=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S50=>CTRL <= "101000000000110111111011";CUFSM <= S10;WHEN S10=>CTRL <= "110100000000100101111011";CUFSM <= S16;WHEN S16=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S51=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S52=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S53=>CUFSM <= S17;WHEN S17=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S54=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S55=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S56=>CTRL <= "110000000000100101111011";CUFSM <= S18;WHEN S18=>CTRL <= "100000001000100111101011";CUFSM <= S19;WHEN S19=>CTRL <= "100011010001100011111011";CUFSM <= S20;WHEN S20=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S57=>CTRL <= "100011000001100011111011";CUFSM <= S21;WHEN S21=>CTRL <= "100000000000110111101011";CUFSM <= S22;WHEN S22=>CTRL <= "101000000010100111111011";CUFSM <= S23;WHEN S23=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;CTRL <= "100011000001100011111011";CUFSM <= S24;WHEN S24=>CTRL <= "100000000000110111101011";CUFSM <= S25;WHEN S25=>CTRL <= "101000000000000111111111";CUFSM <= S26;WHEN S26=>CTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S1;WHEN S59=>CTRL <= "101000001000100111111011";CUFSM <= S28;WHEN S28=>CTRL <= "101000000000110111111011";CUFSM <= S29;WHEN S60=>CTRL <= "101000000000110111111011";CUFSM <= S30;WHEN S30=>CTRL <= "101000001000100111111011";CUFSM <= S31;WHEN S31=>CTRL <= "101000000000110111111011";CUFSM <= S32;WHEN S61 =>CTRL <= "101000001000100111111011";CUFSM <= S39;WHEN S39 =>CTRL <= "100000000100100111011011";CUFSM <= S40;WHEN S40 =>CTRL <= "100010010000110011111011";WHEN S41 =>CTRL <= "100010011000100011111011";CUFSM <= S42;WHEN S62 =>CTRL <= "101000001000100111111011";CUFSM <= S43;WHEN S43 =>CTRL <= "100000000100100111110011";CUFSM <= S44;WHEN S44 =>CTRL <= "100010010000110011111011";CUFSM <= S45;WHEN S45 =>CTRL <= "100010011000100011111011";CUFSM <= S46;WHEN S29=>IF INS(7 downto 4) = "1100" THENCTRL <= "101000000010100111111011";CUFSM <= S12;ELSIF INS(7 downto 4) = "1101" THENCTRL <= "110000000000100110111011";CUFSM <= S13;ELSIF INS(7 downto 4) = "1110" THENCTRL <= "100000000000000011111111";CUFSM <= S14;ELSIF INS(7 downto 4) = "1111" THENCTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S15;END IF;WHEN S32=>IF INS(7 downto 4) = "1100" THENCTRL <= "101000000010100111111011";CUFSM <= S12;ELSIF INS(7 downto 4) = "1101" THENCTRL <= "110000000000100110111011";CUFSM <= S13;ELSIF INS(7 downto 4) = "1110" THENCTRL <= "100000000000000011111111";CUFSM <= S14;ELSIF INS(7 downto 4) = "1111" THENCTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S15;END IF;WHEN S42 =>IF INS(7 downto 4) = "1100" THENCTRL <= "101000000010100111111011";CUFSM <= S12;ELSIF INS(7 downto 4) = "1101" THENCTRL <= "110000000000100110111011";CUFSM <= S13;ELSIF INS(7 downto 4) = "1110" THENCTRL <= "100000000000000011111111";CUFSM <= S14;ELSIF INS(7 downto 4) = "1111" THENCTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S15;END IF;WHEN S46 =>IF INS(7 downto 4) = "1100" THENCTRL <= "101000000010100111111011";CUFSM <= S12;ELSIF INS(7 downto 4) = "1101" THENCTRL <= "110000000000100110111011";CUFSM <= S13;ELSIF INS(7 downto 4) = "1110" THENCTRL <= "100000000000000011111111";CUFSM <= S14;ELSIF INS(7 downto 4) = "1111" THENCTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S15;END IF;WHEN S12=>CTRL <= "100000000000100111111011"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S1;WHEN S13=>CTRL <= "100000000000100111111011"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S1;WHEN S14=>CTRL <= "100000000000100111111011"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S1;WHEN S15=>IF INS = "00000000" THENCTRL <= "100000000000100111111011";CUFSM <= S11;ELSIF INS = "10000000" THENCTRL <= "100000000000000011111111";CUFSM <= S27;END IF;WHEN S11=>CTRL <= "100000000000100111111011"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S1;WHEN S27=>CTRL <= "100000000000100111111011"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S1;END CASE;END IF;END PROCESS;END CONTROLLER_ARCH ;5、机器码验证程序：$P 00 60 ; LDI R0,13H 将立即数13装入R0$P 01 13$P 02 30 ; OUT C0H,R0 将R0中的内容写入端口C0中，即写$P 03 C0 ; ICW1，边沿触发，单片模式，需要ICW4 $P 04 60 ; LDI R0,30H 将立即数30装入R0$P 05 30$P 06 30 ; OUT C1H,R0 将R0中的内容写入端口C1中，即写$P 07 C1 ; ICW2，中断向量为30-37$P 08 60 ; LDI R0,03H 将立即数03装入R0$P 09 03$P 0A 30 ; OUT C1H,R0 将R0中的内容写入端口C1中，即写$P 0B C1 ; ICW4，非缓冲，86模式，自动EOI$P 0C 60 ; LDI R0,FEH 将立即数FE装入R0$P 0D FE$P 0E 30 ; OUT C1H,R0 将R0中的内容写入端口C1中，即写$P 0F C1 ; OCW1，只允许IR0请求$P 10 63 ; LDI SP,A0H 初始化堆栈指针为A0$P 11 A0$P 12 70 ; STI CPU开中断$P 13 20 ; IN R0,00H 从端口00（IN单元）读入计数初值$P 14 00$P 15 41 ; LOOP：MOV R1,R0 移动数据，并等待中断$P 16 E0 ; JMP LOOP 跳转，并等待中断$P 17 15; 以下为中断服务程序：$P 20 80 ; CLI CPU关中断$P 21 61 ; LDI R1,01H 将立即数01装入R1$P 22 01$P 23 04 ; ADD R0,R1 将R0和R1相加，即计数值加1$P 24 30 ; OUT 40H,R0 将计数值输出到端口40（OUT单元）$P 25 40$P 26 70 ; STI CPU开中断$P 27 B0 ; IRET 中断返回$P 30 20 ; IR0的中断入口地址20五、运行结果：初始化8259，然后原地踏步等待中断，每中断一次R0 +1，把R0输出到OUT单元计算了14次，如out 单元：六、所遇问题及解决方法：VHDL语言编程主要实现各个分支，这里要参照流程图，细心不出错后面实现就比较简单了。
计算机组成原理实验 硬布线控制器
计算机组成原理硬布线控制器课件
实现复杂度
硬布线控制器的实现复杂度相对 较低，因为其控制逻辑通过硬件 电路实现，而微程序控制器则需 要编写和维护微程序代码，实现
复杂度较高。
02
硬布线控制器的组 成
控制存储器
功能
存储控制指令，决定各个部件的操作 。
特点
速度快，不易出错，但不易修改和扩 展。
输入输出接口
功能
连接控制器与外部设备，实现数据输入输出。
输入输出控制
硬布线控制器还负责控制 计算机系统比较
执行速度
硬布线控制器由于采用硬件逻辑 电路实现控制指令的执行，因此 在执行速度上通常比微程序控制
器更快。
设计灵活性
微程序控制器通过微程序实现控 制指令的执行，设计灵活性较高 ，而硬布线控制器则相对固定，
高速与低功耗
随着数据处理需求的增长，对硬布线控制器的数据传输速率和功耗性能提出了更高的要求 。未来的控制器将致力于实现更高的数据传输速度和更低的功耗，以满足不断增长的计算 需求。
技术展望
01
新材料与新工艺
随着新材料和新工艺的发展，硬布线控制器有望采用更先进的材料和制
造工艺，以提高性能、降低成本并实现更小的体积。这为控制器在更多
领域的应用提供了可能。
02
可重构计算
可重构计算技术的引入将为硬布线控制器带来新的发展机遇。通过可重
构计算，控制器可以根据不同的任务需求动态调整内部结构，实现高效
的任务处理。
03
人工智能与控制器的融合
随着人工智能技术的不断发展，未来硬布线控制器将与人工智能技术深
度融合。通过集成人工智能算法，控制器能够更好地处理复杂的任务，
变化的计算机系统需求。
06
计算机组成原理第五章 第5讲 硬布线控制器
5.5 硬布线控制器
（2）指令的执行流程
• 微程序控制器时序信号简单。只需要若干节拍 脉冲信号即可。 • 组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还需要 节拍电位信号。
5.5 硬布线控制器
工作原理
• 当机器加电工作时，某一操作控制信号C在某 条特定指令和状态条件下，在某一时序信号的 特定节拍电位和节拍脉冲时间间隔中起作用，。
5.5 硬布线控制器
P167 图5.29
节拍 电位
若干个 节拍脉 冲 图5.29 硬布线控制器的指令周期流程图
5.5 硬布线控制器
（3）微操作控制信号的产生
• 在硬布线控制器中，某一微操作控制信号由布 尔代数表达式描述的输出函数产生。 • 设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所 有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作 信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍 脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行 简化，然后用门电路或可编程器件来实现。
5.5 硬布线控制器
④实现电路 根据整理并化简的逻辑表达式组，可以 用一系列组合逻辑电路加以实现，加根据 逻辑表达式画出逻辑电路图，用逻辑门电 路的组合来实现之，也可以直接根据逻辑 表达式，用PLA或其他逻辑电路实现。 PS. PLA(Programmable logic arrays) 可编程逻辑阵列
5.5 硬布线控制器
（4）设计步骤
• ①画出指令流程图 • ②列出微操作时间表
将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周 期的相应节拍和脉冲中去； 微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条 件发出哪些微操作信号。
5.5 硬布线控制器
③进行微操作信号的综合
计算机组成实验报告
一、实验目的1. 理解计算机组成原理的基本概念和结构。
2. 掌握计算机各主要部件（如CPU、存储器、总线等）的工作原理。
3. 熟悉计算机指令系统的基本知识。
4. 通过实验加深对计算机组成原理的理解。
二、实验环境1. 实验平台：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统2. 实验软件：计算机组成原理实验软件3. 实验设备：计算机组成原理实验箱三、实验内容1. CPU数据通路实验（1）实验目的：了解CPU的数据通路结构，掌握各逻辑部件的功能及数据流动方向。
（2）实验步骤：1. 组装CPU数据通路，包括ALU、程序计数器PC、主存M、主存数据寄存器MDR、主存地址寄存器MAR、指令寄存器IR、通用寄存器R0-R3、暂存器C和D等。
2. 指示数据流动方向，确保各部件正确连接。
3. 验证数据通路功能，观察数据流动过程。
（3）实验结果：成功组装CPU数据通路，实现数据正确流动。
2. 指令周期实验（1）实验目的：掌握典型指令的指令周期，了解指令执行过程。
（2）实验步骤：1. 画出“MOV R0, R1”、“LAD R1, (R2)”、“ADD R1, R2”、“STO R2,(R3)”等指令的指令周期方框图。
2. 分析指令执行过程，理解各阶段功能。
（3）实验结果：成功画出指令周期方框图，并理解指令执行过程。
3. 硬布线控制器与微程序控制器实验（1）实验目的：了解硬布线控制器和微程序控制器的工作原理及区别。
（2）实验步骤：1. 比较硬布线控制器和微程序控制器的结构及工作原理。
2. 分析两种控制器的优缺点。
（3）实验结果：理解硬布线控制器和微程序控制器的工作原理及区别。
4. 流水线CPU实验（1）实验目的：掌握流水线CPU的工作原理，分析流水线各过程段。
（2）实验步骤：1. 分析指令流水线的取值、译码、执行、访存、写回寄存器五个过程段。
2. 画出流水处理的时空图，计算流水线的实际吞吐率和加速比。
（3）实验结果：成功分析指令流水线各过程段，并计算流水线性能指标。
硬布线控制器实验心得
硬布线控制器实验心得
在进行硬布线控制器实验的过程中，我深入了解了硬布线控制器的设计原理和工作方式。
这个实验让我对数字电路设计有了更直观的认识，也让我对控制器设计中的关键因素有了更深入的理解。
实验过程中，我学到了如何根据系统的需求和性能指标，设计并优化硬布线控制器。
这其中涉及到了逻辑门电路的选择、时序控制、数据路径设计等多个方面。
我意识到，硬布线控制器的设计不仅仅是电路设计，更是系统设计和工程能力的综合体现。
此外，我也体验到了团队合作的力量。
在实验中，我和团队成员一起讨论、设计和优化控制器，这让我深刻体会到了团队协作的重要性。
每个人都有自己的专长和视角，通过集思广益，我们能够更好地解决问题，实现更好的设计。
回顾这次实验，我认为我在硬布线控制器设计方面有了实质性的进步。
我不仅掌握了相关的知识和技能，更培养了系统思维和工程实践能力。
这次实验也让我认识到，学习数字电路设计不能仅仅停留在理论层面，更需要通过实践来加深理解和提高能力。
对于未来的学习和工作，我将更加注重理论与实践的结合。
我会继续深入学习数字电路设计的理论和方法，同时通过更多的实践项目来锻炼自己的工程实践能力。
我相信，通过不断地学习和实践，我能够在数字电路设计领域取得更大的进步。
硬布线控制器
硬布线控制器计算机组成原理实验课常规型硬布线控制器的设计与调试科目：计算机组成原理指导教师：实验人：实验时间：实验背景硬布线控制器是早期设计计算机的一种方法。
这种方法是把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，二次逻辑电路以示用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。
一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功计算机组成原理实验课能是不可能的。
硬布线控制器是计算机中最复杂的逻辑部件之一，由于其结构上的缺陷使得对它进行设计和调试非常复杂且代价很大。
正因为如此，硬布线控制器被微程序控制器所取代。
但是随着新一代机器及VLSI技术的发展，硬布线逻辑设计思想又得到了重视。
设计要求针对TEC-4实验台利用isp__芯片设计一个硬布线控制器，本控制器可以执行五条控制台指令：PR,KRD,KWE,KLD,KRR以及九条机器指令:ADD,SUB,MUL,AND,STA,LDA,JMP, JC,STP。
实验目的融会贯通计算机组成原理课程和计算机系统结构课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬联线控制器的认识。
学习运用ISP技术进行设计和调试的基本步骤和方法，熟悉集成开发软件中设计，模拟调试工具的使用，体会ISP技术相对于传统开发技术的优点。
培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
实验设备TEC-4计算机组成原理实验系统一台双踪示波器一台逻辑测试笔一只isp__芯片一个Lattice公司的IspExpert软件实验准备时序信号发生器:由晶体振荡器产生MF信号（频率1MHz），同时产生T1,T2,T3,T4，W1,W2,W3,W4时序信号，关系如下图。
其中W1,W2,W3,W4用于硬布线控制器的节拍信号计算机组成原理实验课实验台上自选器件实验区提供有Isp__芯片及下载插座，可以从PC机上编程下载DB,DP,DZ：DP＝1时，计算机处于单拍工作方式，按一次QD发送一组时序信号T1,T2,T3,T4；DB＝1时，计算机处于单步方式，按一次QD 发送一组W1,W2,W3,W4时序脉冲，同时如果执行过程当中遇到TJ指令，将停在当前节拍脉冲的T4时刻。
6.6 硬布线控制器
河南科技大学
硬布线控制器
明德
博学
日新
笃行
一、硬布线控制器的设计思想
采用组合逻辑的思想，把微操作信号发生器看作一个产生专门固定时序控 制信号的逻辑电路，该逻辑电路是按照数字逻辑电路的设计原则设计出的一种 由门电路和触发器构成的复杂的树形网络 ，故称为硬布线控制器。
河南科技大学
硬布线控制器
二、硬布线控制器的基本结构
微 操 3. READ=T0+T3·（STR+JZ）
作 信
4.
Y←0=T0
号 的
5.
C0←1=T0
逻 辑
6.
ADD=T0+T5 ·ADD
组 合
7.
ZIN=T0+T5（ADD+AND）
8. ZOUT=T2+T6（ADD+AND）
9. PCIN=T2+T6 ·Z ·JZ
明德
博学
日新
笃行
10. MDROUT=T1+T4（ADD+AND）
T1
MDROUT，IRIN
T2
ZOUT，PCIN
T3
ADDROUT，MARIN，READ
T4
MDROUT，RIIN
Pcout=T0
T3
ADDROUT，MARIN
T4
RIOUT，MDRIN，WRITE
T3
ADDROUT，MARIN，READ
T4
MDROUT，YIN
MARIN =T0+T3 ·JZ
T5
RIOUT，ADD，ZIN
河南科技大学
硬布线控制器 画出逻辑电路图
RIIN =LD ·T4+ T6·（ADD+AND)
硬连线控制器设计说明
模型机硬连线控制器设计一、实验目的（1）融会贯通计算机组成原理与体系结构课程各章教学内容，通过知识的综合运用，加深对CPU个模块工作原理及相互联系的认识；（2）掌握硬连线控制器的设计方法；（3）培养科学研究能力，取得设计和调试的实践经验。
二、实验设备（1）TEC-8实验系统 1台（2）Pentium 3 以上的PC 1台（3）双踪示波器 1台（4）直流万用表 1块（5）逻辑测试笔（在TEC-8实验台上） 1支三、设计与调试任务（1）设计一个硬连线控制器，和TEC-8模型计算机的数据通路结合在一起，构成一个完整的CPU，对该CPU要求：●能顾完成控制台操作，包括启动程序运行、读存储器、写存储器、读寄存器、写寄存器。
●能够执行表3.1中的指令，完成规定的指令功能。
表3.1中，XX代表任意值，Rs代表源寄存器号，Rs代表目的寄存器号。
在条件转移指令中，@代表当前PC的值，offset是一个四位的有符号数，第三位是符号位，0代表正数，1代表负数。
注意：@不是当前指令的PC值，而是当前指令的PC值加1。
表错误!文档中没有指定样式的文字。
.1新设计CPU的指令系统●在Quartus||下对硬连线控制器进行编程的编译。
●将编译后的硬连线控制器下载到TEC-8实验台的可编程器件EPM7128S中去，使得EPM7128S成为一个硬连线控制器。
●根据指令系统，编写检测硬连线控制器正确性的测试程序，并用测试程序对硬连线控制器在单微指令方式下进行调试，直到成功。
（2）在调试成功的基础上，整理出设计文件。
1.硬连线控制器逻辑模块图；2.硬连线控制器指令周期流程图；3.硬连线控制器的硬件描述语言源程序；4.测试程序；5.设计说明书；6.调试总结。
四、硬连线控制器逻辑模块图本实验要求设计硬连线控制器，而仍然利用实验台的数据通路和其他模块。
因此我们只需对硬连线控制器部分进行编程就行了。
TEC-8模型计算机电路框图如下图1。
图1 TEC-8模型计算机电路框图从电路框图中可知，硬连线控制器与微程序控制器不同，其产生的控制信号除了受译码器输出信号SWC~SWA、IR7~IR4，节拍电位信号T1~T3，状态条件信号Z、C，以及CLR#的控制外，还受时序发生器产生的节拍脉冲信号W3~W1的控制。
实验07 硬布线控制器实验
实验七硬布线控制器实验一、实验目的1、通过实验学习利用VHDL语言进行有限状态机的设计。
2、通过实验了解硬布线控制器的基本工作原理。
二、实验原理1、硬布线控制器本质上是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络，它将输入逻辑信号转换成一组输出逻辑信号，即控制信号。
硬布线控制器的输入信号有：指令寄存器的输出、时序信号和运算结果标志状态信号等；输出的信号就是各个部件需要的各种微操作信号。
2、硬布线控制器的设计思想是：在硬布线控制器中，操作控制器发出的各种控制信号是时间因素和空间因素的函数。
各个操作定时的控制构成了操作控制信号的时间特征，而各种不同部件的操作所需要的不同操作信号则构成了操作控制信号的空间特征。
硬布线控制器就是时间信号和操作信号的组合，产生具有定时特点的控制信号。
3、本实验中用到的机器指令如下：图1 设计指令格式4、根据指令要求，得出用时钟进行驱动的状态机描述，即得出其有限状态机，如图2所示。
S0：空操作，系统复位后的状态S1：PC->AR，PC+1S2：MEM->BUS，BUS->IRS3：R0->BUS，BUS->AS4：R0->BUS，BUS->BS5：A+B->BUS，BUS->R0S6：IN->BUS，BUS->R0S7：R0->BUS，BUS->OUTS8：空操作S9：PC->AR，PC+1S10：MEM->BUS，BUS->PC图2 有限状态机描述三、实验步骤1、建立一个Quartus II工程命名为：Con，并在工程中新建一个VHD文件，与工程同名：Con.vhd2、利用VHDL语言设计了控制器的有限状态机。
其代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.ALL;ENTITY CONTROLLER ISPORT(RESET : IN STD_LOGIC;T1 : IN STD_LOGIC;INS : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);CTRL : OUT STD_LOGIC_VECTOR(16 DOWNTO 0));END CONTROLLER;ARCHITECTURE CONTROLLER_ARCH OF CONTROLLER ISTYPE STATE IS (S10, S9, S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1, S0);SIGNAL CUFSM: STA TE;--CTRL:WR,RD,IOM,S3,S2,S1,S0,LDA,LDB,LOAD,LDAR,LDIR,ALU_B,R0_B,LDR0,PC_B,LDPC BEGINPROCESS (T1, RESET, INS)BEGINIF RESET = '0' THENCTRL <= "00000000010011010"; --NOPCUFSM <= S0;ELSIF T1'EVENT AND T1 = '1' THENCASE CUFSM ISWHEN S0 =>CTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;WHEN S1 =>CTRL <= "01000000010111010"; --MEM->BUS,BUS->IRCUFSM <= S2;WHEN S2 =>IF INS = "00000000" THEN --ADD INSCTRL <= "00000001010010010"; --R0->BUS,BUS->ACUFSM <= S3;ELSIF INS = "00100000" THEN -- IN INSCTRL <= "01100000010011110"; --IN->BUS,BUS->R0CUFSM <= S6;ELSIF INS = "00110000" THEN -- OUT INSCTRL <= "10100000010010010"; --R0->BUS,BUS->OUTCUFSM <= S7;ELSIF INS = "01010000" THEN -- HLT INSCTRL <= "00000000010011010"; --NOPCUFSM <= S8;ELSIF INS = "11100000" THEN -- JMP INSCTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S9;ELSE -- INV ALID INSCTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;END IF;WHEN S3 =>CTRL <= "00000000110010010"; --R0->BUS,BUS->BCUFSM <= S4;WHEN S4 =>CTRL <= "00010010010001110"; --A+B->BUS,BUS->R0CUFSM <= S5;WHEN S5 =>CTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;WHEN S6 =>CTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;WHEN S7 =>CTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;WHEN S8 =>CTRL <= "00000000010011010"; --NOPCUFSM <= S8;WHEN S9 =>CTRL <= "01000000000011011"; --MEM->BUS,BUS->PCCUFSM <= S10;WHEN S10 =>CTRL <= "00000000011011001"; --PC->AR,PC+1CUFSM <= S1;END CASE;END IF;END PROCESS;END CONTROLLER_ARCH ;3、对工程已经编译，将生成的Con.sof文件进行JTAG下载就可以了。
计算机组成原理 实验三 硬布线控制器实验
实验三硬布线控制器实验一、实验目的1. 通过多种方式，查看教学计算机指令的执行步骤、运行结果、各组控制信号在每一个执行步骤中的状态、指令之间的衔接等有关内容。
2. 熟悉教学计算机的指令格式、指令编码、寻址方式和指令功能等内容。
3. 熟悉教学计算机的总体组成和各部件的运行原理，理解控制器部件在计算机整机中的关键作用。
4. 理解和熟悉指令执行步骤的划分方案。
5. 熟悉教学计算机的硬布线控制器各控制命令的控制功能。
二、实验要求1．实验之前要认真预习，写出预习报告，包括操作步骤，实验过程所用数据和运行结果等。
2．实验过程中，要仔细进行，防止损坏设备，分析可能的各种现象，判断结果是否正确，记录运行结果。
3. 实验之后，认真写出实验报告，包括对遇到的各种现象的分析，实验步骤和实验结果，实验心得体会与收获。
三、实验内容1. 将5个拨动开关置为11101（单节拍、指令来自开关、组合逻辑、16位、联机工作方式），按一下RESET。
在单节拍方式下，每按一次START键，执行一个节拍的功能。
此时教学机反复执行这一条指令，对照指令执行流程图，看节拍发生器的状态输出，能够最方便的查看不同类型的指令的执行步骤的变化与连接关系。
此时无须关心指令的执行功能，因为此时指令得不到正确的操作数据和地址。
2. 使用手拨开关SWH和SWL输入16位指令操作码。
注意：如果是双字指令，则只能拨入高16位，此时运算结果不正确，可忽略。
拍。
例如：使用手拨开关SWH和SWL输入MVRD指令的操作码88H（为B组指令），先按RESET键，再依次按START键，看到节拍发生器的状态输出为：0000-0010-0110-0100。
操作序列1：请把ADD、PUSH、LDRA、CALA指令通过开关送给控制器，利用教学机把各自节拍流程找出来，并写在下表中。
操作序列2：请自行从A、B、C、D四组中各选择若干条指令通过开关送给控制器，利用教学机把各自节拍流程找出来，并写在下表中，表格行数可自行增加。
计算机组成原理课程相关资料015- new第7章 控制器-2
Ci=fi（Im，Mn，Tn，Sx，Ej）
设计硬布线控制器的过程，也就是求出每个微操 作控制信号Ci的逻辑函数fi的过程。
11
三、多周期CPU的设计 指令周期可包含多个时钟周期，每个 时钟周期执行指令的一步操作。 特征：
功能部件可在单指令周期中共享（多次 使用）； 不同指令所占用的时钟周期可以不同。
14
2、MIPS指令子集的执行过程
（1）R型指令 （2）I型访存指令 （3）I型分支指令 （4）J型跳转指令
15
（1）R型指令
R型指令数据通路：
读信号 写信号
IR
读地址A 读出数据A 读地址B
A
ALU
PC
地址
读出数据
寄存器堆
写地址 写信号 读出数据B 写入数据
4 B
F
存储器
写入数据
MDR
16
（1）R型指令
2
7.2 硬布线控制器
指令寄存器 指令译码器
...
Sx 状态寄存器
Im 外部控制、状 态信号 Ej 外 部 控 制 总 线
... ... ...
Mn 时序系统
操作控制信号 形成部件 （组合逻辑电路）
Tn
...
送往CPU内部
...
微操作控 制信号Ci
送往外部控制总线
3
7.2 硬布线控制器
一 二 三 四 五 控制器的设计方法
① 指令译码器译码产生的指令信息Im
② 时序系统产生的机器周期信号Mn和节拍信号Tn： 用于定序，相当于有限状态机中的状态序列；
③ 状态寄存器的状态信号Sx
④ 外部控制、状态信号Ej 输出：微操作控制信号Ci
计算机组成原理第05章 中央处理器(2硬布线控制器与PLA控制器)
5.4.1 组合逻辑控制器的设计步骤 1.根据CPU的结构图写出每条指令的操作流程图 并分解成微操作序列。 2.选择合适的控制方式和控制时序。 3.对微操作流程图安排时序,排出微操作时间表。 4.根据操作时间表写出微操作的表达式,即 微操作=周期*节拍*脉冲*指令码*其它条件 5.根据微操作的表达式,画出组合逻辑电路。 组合逻辑控制器总框图见下页。
第五章中央处理器?cpu的功能和组成?指令周期?时序产生器?微程序控制器?微程序设计技术?硬布线控制器54硬布线控制器组合逻辑控制器与pla控制器541组合逻辑控制器的设计步骤1
第五章
中央处理器
CPU的功能和组成 指令周期 时序产生器 微程序控制器 微程序设计技术 硬布线控制器
5.4 硬布线控制器(组合逻辑控制器)与PLA控制器
5.4 硬布线控制器(组合逻辑控制器)与PLA控制器
5.4.2 组合逻辑控制器的设计举例
CPU结构框图如下图所示,设计以下几条指令的 组合逻辑控制器:
CLA ; 清AC ADD I D ; I=0为直接寻址,即(AC)+(D) AC I=1为间接寻址,即(AC)+((D)) AC STA I D ; I=0为直接寻址,即(AC) D; I=1为间接寻址,即(AC) (D) LDA I D ; I=0为直接寻址,即(D) AC; I=1为间接寻址,即((D)) AC JMP I D ; I=0为直接寻址,即(D) PC; I=1为间接寻址,即((D)) PC
IR(AR) DBUS DBUS AR I=1? Y (IR12)=1 M AR
N
N
I=1? Y (IR12)=1 M AR
(AC)+(DR) AC
计算机组成原理课程设计—硬布线控制器的设计与实现.
硬布线控制器的设计与调试教学目的、任务与实验设备教学目的熟练掌握实验5和硬布线控制器的组成原理与应用。
复习和应用数据通路及逻辑表达式。
学习运用ISP（在系统编程）技术进行设计和调试的基本步骤和方法，熟悉集成开发软件中设计调试工具的使用，体会ISP技术相对于传统开发技术的优点。
教学任务按给定的数据格式和指令系统，在所提供的器件范围内，设计一台硬布线控制器控制的模型计算机。
根据设计图纸，在通用实验台上进行组装，并调试成功。
在组装调试成功的基础上，整理出设计图纸和其他文件。
TEC－4计算机组成原理实验系统一台直流万用表一只集成电路建议使用ISP芯片（一片ispLSI1032）。
采用ISP器件，则需要一台PC 机运行设计自动化软件(例如ispEXPERT)作设计、编程和下载使用。
总体设计思路（描述指令系统，给数据通路）采用与模型计算机相同的指令系统，即12条机器指令。
实验设计中采用该指令系统的子集：去掉中断指令后的3条机器指令，只保留9条指令。
采用的数据通路和微程序控制器方案相同。
·数据通路图和数据通路控制信号DBUS图4 数据通路总体图控制器的设计思路硬布线控制器能够实现控制功能，关键在于它的组合逻辑译码电路。
译码电路的任务就是将一系列有关指令、时序等的输入信号，转化为一个个控制信号，输出到各执行部件中。
根据硬布线控制器的基本原理，针对每个控制信号S，可以列出它的译码函数S = f( Im, Mi, Tk, Bj )其中Im是机器指令操作码译码器的输出信号，Mi是节拍信号发生器的节拍信号，Tk是时序信号发生器的时序信号，Bj是状态条件判断信号。
在TEC—4计算机组成原理实验系统中，因为时序信号Tk（T1—T4）已经直接输送给数据通路，所以译码电路不需Tk作为输入。
又因为机器指令系统比较简单，操作码只有４位，不需要专门的操作码译码器，因此Im直接就是操作码，即指令寄存器的IR4—IR7信号。
Mi的来源就是时序模块的节拍信号，例如W4—W1。
计算机组成原理实验控制器
0R001+1R1→R011 XX addr
06
1000 RX1X→adXdXr addr
08
010（1addXr）X→LXEXD 00000000
不能与程序地址 重叠
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第一字节 00→PC 第二字节
微指令格式
M25 M24 M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 C B A AR 保留字 PX3 A9 A8 CE LOAD CN M S0 S1 S2 S3 PX2
3区
00
00
00
80
20
00
60
40
00
80
10
0A
00
00
02
81
DR2
DR1
ALU
299
程序计数
器PC
数据 总线
指令寄 存器IR
R0
R1
SW
地址 总线
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R2
锁存
输出
内存
微地址
控存
实 验
设
备
位
置
图
Dais-CMH+
复微位单步
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R2为变址寄存器
机器指令格式
地址 操作码 源 目的
IN R0，SW
00 0001 XX 00
MOV R1,#XXH ADD R1，R0
MOV addr，R1
OUT LED，addr JMP 00
01 开0关1数0据0→RX0 X 01 IMM
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注：跳出“断点”后，CPU进入HLT指令的后续下一条指令的取指周期。
实验步骤：
1） 编译如下页所示的机器语言源程序，生成HEX文件分别烧写 到单周期和多周期硬布线控制器版本的程序存储器PROGRAM 中（编译和烧写asm文件的方法参见“2.6存储器实验：ROM 批量导入数据”）
2) 手动按钮MANUAL_CLK一次，令CLK端上升沿跳变，节拍 {T1,T2,T3,T4}={1,0,0,0}。
3) 令RESET=0，74LS194恢复循环右移模式，进入第一条指令 的取指周期节拍时序。
重启过程（跳出HLT“断点”）：
1) 时钟CLK接在MANUAL_CLK端，令RESET=1，则#CLR=0，清零 微地址寄存器MA4~MA0和指令寄存器IR。此时，#HLT=1，且 74LS194状态{S0,S1}={1,1}，工作模式是送数。
M2
JMP1/JMP2/JMP3 JMP1/JMP2/JMP3 JMP1/JMP2/JMP3 JMP1/JMP2/JMP3
M3
JMP2/JMP3 JMP2/JMP3 JMP2/JMP3 JMP2/JMP3
M4
JMP3 JMP3 JMP3 JMP3
指令译码 电路
微操作信号 硬布线逻辑
（单周期） 时序发生器
【M1】 【M2】 【M3】 【M4】
单周期 硬布线控制器
状态机
【T1】源部件总线BUS 【T2】总线BUS目标部件
【M1】
【M2】
【M3】
【M4】
多周期 硬布线控制器
状态机
【T1】源部件总线BUS
【T2】总线BUS目标部件
Mealy状态机
单周期 硬布线控制器 状态机流程图
【M1】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
【M3】
【T1】 【T1】 【T2】 【T2】
【M3】
【M3】
【M3】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS
【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
【M4】
【T1】 【T1】 【T2】 【T2】
【M4】
【T1】 【T2】
【M4】
【M4】
【T1】PCAR,ROMBUS
【T2】BUSIR, PC+1
微操作信号 LDIR LDAR
PC_INC
M1 NOP/HLT/JMP1/JMP2/JMP3 NOP/HLT/JMP1/JMP2/JMP3 NOP/HLT/JMP1/JMP2/JMP3
NOP/HLT/JMP1/JMP2/JMP3
【M1】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T2】BUSIR, PC+1
多周期 硬布线控制器 状态机流程图
NOP指令
P1( 0 0 I7 I6 I5 )
HLT指令 硬件停机
JMP1指令
JMP2指令
JMP3指令
【M2】
【M2】
【M2】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS
CPU的指令格式
NOP
0000
XX
XX
空指令：不执行任何操作
HLT
1110
XX
XX
“断点”：硬件停机
addr1
直接寻址： addr1 PC
JMP2
0100
XX
XX
addr1
间接寻址： [addr1] =addr2，addr2 PC
JMP3
0110
XX
XX
addr1
二次间址：[addr1]=addr2, [addr2]=addr3, addr3PC
解两者间的差异。
实验内容：
● 分别设计单周期和多周期硬布线版本的CPU，并比较两者 “状态机”的差异。两个版本的CPU在功能上完全兼容微程 序版本CPU（数据通路相同，指令集相同），仅用硬布线逻 辑取代微程序控制器，产生时序各阶段所需的微操作信号。
单周期硬布线控制器版本的CPU
多周期硬布线控制器版本的CPU
NOP指令
JMP1指令
P1( 0 0 I7 I6 I5 ) JMP2指令
HLT指令 硬件停机 JMP3指令
【M2】
【M2】
【M2】
【M2】
【T1】 【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS
【T2】 【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
计算机组成原理 实验系列
一、总线与寄存器
二、进位加法器
三、比较器（仲裁器）
四、计数器
五、运算器
六、存储器
七、时序发生器 八、微程序控制器 九、硬布线控制器
赖晓铮 博士 华南理工大学 laixz@ QQ: 68046508
（九）硬布线控制器 实验
实验目的：
● 掌握硬布线控制器的组成原理及设计方法。 ● 理解单周期和多周期硬布线控制器的“状态机”模型，了
【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
【M3】
【M3】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T1】PCAR,ROMBUS
【T2】BUSIR, PC+1
【T2】BUSIR, PC+1
LDIR = #LDPC = M1
【M4】
【T1】PCAR,ROMBUS 【T2】BUSIR, PC+1
2） 分别在单周期硬布线控制器版本的CPU和多周期硬布线控制 器版本的CPU中，手动单步执行或自动执行上述机器语言程 序。观察每次单步执行或自动运行到“断点”处的寄存器 AR、IR、PC及总线BUS上的数据，对比单周期和多周期硬布 线控制器的程序运行效率差异。
汇编助记符
JMP1, 06H HLT
NOP/Addr
JMP3, [[0BH]]
NOP/Addr HLT
JMP2, [06H] HLT
LDAR = PC_INC = 1
#OE = 0
｛M1M｝时序：M=NOP·M1+JMP1·M2+JMP2·M3+JMP3·M4
（多周期） 时序发生器
指令译码电路 M硬布线逻辑 微操作信号 硬布线逻辑
初始化过程：
1) 时钟CLK接在MANUAL_CLK端，令RESET=1，则#CLR=0，清零 微地址寄存器MAx和指令寄存器IR。此时， #HLT=1 ，且 74LS194状态{S0,S1}={1,1}，工作模式是送数。