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。

实验设备

微操作控制信号·····CnC1结果反馈信息指B1硬布线控制器指令（组合

逻辑网络）令Bn译寄码ispLSI1032E-70LJ84存模器块

T1W1T1W4启动

TJ停止节拍脉冲节拍电位/时钟发生器SKIP复位硬布线控制器结构方框图

计算机组成原理实验系统一台－4TEC

直流万用表一只

器件，则需要一台ISP）ispLSI1032。采用集成电路建议使用ISP芯片（一片

作设计、编程和下载使用。ispEXPERT)机运行设计自动化软件(例如PC

总体设计思路（描述指令系统，给数据通路）

条机器指令。实验设计中采用12采用与模型计算机相同的指令系统，即

条指令93条机器指令，只保留该指令系统的子集：去掉中断指令后的。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

CINS S2T4CEL#CER端口指令口端数据S1ALUALU_BUS LRW(T3)口端A口端BS0RAM LDAR1(T4) LDDR1(T3)LDDR2(T3)AR1_INC LDAR2(T2)AR1AR2DR2DR1M3MUX3M1M2MUX2MUX1DBUS

LDPC(T4)RS_BUS#IAR_BUS#PC PC_ADD LDIAR IAR ALU2PC_INCRD0、RS0RD1、RS1端口B端口A RF WR0、

WR1WRD(T2)LDR4(T2)R4LDER(T4)ER M4MUX4DBUS SW_BUS#WR0、WR1RD0RD1、RS0、RS1控SW7—SW0制器控制..LDIR(T4)信IR.INTQ、C号

图4数据通路总体图2．

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。Bj的信号包括：

1.来自数据通路中运算器ALU的进位信号C；

2.来自控制台的开关信号SWC、SWB、SWA；

3.其他信号。

其中C、SWC、SWA和SWB信号在微程序控制器中同样存在，不用加以解释。由于硬布线控制器设计和微程序控制器设计的不同需求和特点以及控制器的设计方案的不同，可能需要其他信号，也可能不需要其他信号，根据设计方案而定。

每个控制信号的函数式都是上述输入信号的逻辑表达式，因此可以用各种组合逻辑构造电路网络，实现这些表达式的逻辑功能。理论上，只要对所有控制信号都设计出译码函数，这个硬布线控制器的方案也就得到了。

根据要求，列出所需的控制台指令和机器指令

3

：老师提供的控制台指令流程图

ST

1000101000101100001100000100101100011001W1

KRR2KRD2PR2KWE2KRD1KLD1PR1KLD2KWE1KRR1

SW-BUS#SKIPSKIPSKIPSW-BUS#CEL#SKIPSKIPSW-BUS#CEL#LRW=1CEL#CEL#LRW=0TJLRW=0LRW=0SKIPSKIP CERCER LDIRLDIR W2SKIPTJ SW-BUS#W3LDER

RS-BUS#AR1-INCAR1-INCWRDSW-BUS#SW-BUS#SW-BUS#SW-BUS#SW-BUS#

TJTJLDAR1M4=1LDAR1LDAR1LDAR1TJ LDR4SSTOM3=1M3=1SSTO LDPCLDAR2TJLDAR2W4SSTOSSTOSSTO TJTJ

控制台指令流程图

在这个控制台里，我们将控制台指令KRR,KRD,KWE,KLD,PR分别拆分为

KRR1,KRR2,KRD1,KRD2,KWE1,KWE2,KLD1,KLD2和PR1,PR2。每个小指令分别占用W1-W4四个节拍。分2次执行完成。

5．

控制台控制信号作用：

设计方案

设计硬布线控制器的控制流程，也就是解决Mi、Im、Bj如何起作用的问题。设计微程序控制器时可以使用流程图，设计硬布线控制器同样可以使用流程图。微程序控制器的控制信号以微指令周期为时间单位，硬布线控制器以节拍为时间单位，两者本质上是一样的，1拍和1个微指令周期都是从时序T1的上升沿

到

T4的下降沿的一段时间。在微程序控制流程图中，1个执行框代表1个微指令

6．

周期，而在硬布线控制流程图中，1个执行框就代表1拍。

执行一条机器指令所需的微指令数目，在硬布线控制器中相当于机器指令所需的节拍数。决定执行一条指令需要的节拍数，要根据所有指令而定。既不能只考虑某些需要最多节拍的指令，也不能只考虑节拍数最少的指令，一般要根据大多数机器指令所需的节拍数而定，设计才比较合理。在本实验中，由于选用4拍对大多数指令就够用，所以节拍发生器产生4个节拍信号（W1—W4）。统一用4拍执行1条机器指令后，对于所需节拍较少的的指令，例如JMP指令只