计算机组成原理第五章 第5讲 硬布线控制器
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
白中英 第五版 计算机组成原理第5章.
用二进制码表示的指令和数据都放在内存里， 那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢?
从时间上来说:
▴ ▴
取指发生在指令周期的第一个CPU周期; 取数发生在后面几个CPU周期，即 “执行指令”阶段。
从空间上来说:
▴ 送指令寄存器IR —指令 ▴
送运算器 — 数据。
计算机组成原理
30
5.3
时序产生器和控制方式
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
计算机组成原理
执行指令阶段
16
LAD指令的指令周期——执行
play 计算机组成原理
17
5.2.4
ADD指令的指令周期
ADD R1, R2是一条RR指令
计算机组成原理
18
ADD指令的指令周期——执行
play
计算机组成原理
19
5.2.5
STO指令的指令周期
STO R2, (R3)是一条RS指令
5.4.1 微命令和微操作
▲ 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种
控制命令。
▲ 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。 ▲ 微操作可分为相容性和相斥性两种。 在同时或同一个CPU周期 内可以并行执行的微操作 不能在同时或同一个CPU 周期内并行执行的微操作
7
计算机组成原理
5.1.4 操作控制器与时序产生器
数据通路： 是许多寄存器之间传送信息的通路。 操作控制器的功能 : 根据指令操作码和时序信号，产 生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路， 从而完成取指令和执行指令的控制。 根据设计方法不同，操作控制器可分为：
1.硬布线控制器 2.微程序控制器
；（R1）→R0 ；（6）→ R1
硬布线控制器(精)
由于采用同步工作方式，长指令和短指令对节拍时间的利用都是 一样的。这对短指令来讲，在时间的利用上是浪费的，因而也降 低了CPU的指令执行速度，影响到机器的速度指标。为了改变 这种情况，在设计短指令流程时可以跳过某些节拍。当然在这种 情况下，节拍信号发生器的电 路相应就要复杂一些。 节拍电位信号的产生电路与节拍脉冲产生电路十分类似，它 可以在节拍脉冲信号时序器的基础上产生，运行中以循环方式工 作，并与节拍脉冲保持同步。 3.微操作控制信号的产生 在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重 复使用。在硬联线控制器中，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。为了防止遗漏，设计时可按信 号出现在指令流程图中的先后次序书写，然后进行归纳和简化。 要特别注意控制信号是电位有效还是脉冲有效，如果是脉冲有效 ，必须加入节拍脉冲信 号进行相“与”。
显然，从指令流程图出发，就可以一个不漏地确定在指令周期中 各个时刻必须激活的所有操作控制信号 .例如，对引起一次主存 读操作的控制信号 C3来说，当节拍电位 M1=l，取指令时被激活； 而当节拍电位 M4=1，三条指令（LDA，ADD，AND）取操作数 时也被激活，此时指令译码器的 LDA，ADD,AND输出均为1， 因此 C3的逻辑表达式可由下式确定: C3=M1+M4(LDA+ADD+AND) 一般来说,还要考虑节拍脉冲和状态条件的约束 ,所以每一个控制 信号Cn=可以由以下形式的逻辑方程来确定 : Cn= (Mi·Tk·Bj· Im) 与微程序控制相比，组合逻辑控制的速度较快.其原因是微程序 控制中每条微指令都要从控存中读取一次，影响了速度，而组合 逻辑控制主要取决于电路延迟 .因此，近年来在某些超高速新型 计算机结构中，又选用了组合逻辑 . 2.指令执行流程 在用硬联线实现的操作控制器中，通常，时序产生器除了产生 节拍脉冲信号外，还应当产生节拍电位信号。因为在一个指令周 期中要顺序执行一系列微操作，需要设置若干节拍电位来定时。 例如前面提到的五条指令的指令周期，其指令流程可用下图来表 示。
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
8
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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本课件下载后可根据实际情况进行调整
18
9
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。
7
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
·
·
·
1.TEC－4计算机组成原理实验系统一台
2.直流万用表一只
3.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。
二、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。
2。
计算机组成原理实验 硬布线控制器
计算机组成原理 第五章中央处理器53PPT课件
❖ 状态寄存器PSW由九个标志位组成，以反映 操作结果的某些状态或机器运行状态。
17
5.6.1 Intel 8088 CPU
❖ 四个16位的段寄存器，用来存放主存段地址 (代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段 ES)。 通过把某个段寄存器左移4位低位补零 后与16位偏移地址相加的方法可形成20位长 度的实际地址，从而可使主存具有一兆字节 (2的20次方=1M)的寻址能力。
第五章 中央处理器
5.5 硬连线控制器
整体概述Hale Waihona Puke 概述一点击此处输入
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概述二
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概述三
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2
1 基本思想
(1)实现方法 ❖ 通过逻辑电路直接连线而产生的，又
称为组合逻辑控制方式 (2)设计目标 ❖ 使用最少元件（复杂的树形网络） ❖ 速度最高
3
1 基本思想
7
第五章 中央处理器
5.6 传统CPU
8
1 M68000CPU
❖M6800CPU的逻辑框图如下：
9
1 M68000CPU
❖ 比较典型的单总线结构的微理器。 ❖ M6800CPU是一种8位微处理器，采用单一的5V电
源。时钟脉冲采用两相(φ1，φ2)，主频为1MHz，由 外面加入CPU。 ❖ M6800的CPU主要包括：
(1)定点运算，包括整数计算和有效 地址的计算；
(2)浮点运算； (3)可变长运算，包括十进制算术运
算和字符串操作。
22
5.6.2 IBM 370 系列 CPU
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
硬布线控制器和微程序控制器
1.硬布线控制器硬布线控制器是将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，产生各种控制信号，因而又称为组合逻辑控制器。
这种逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标，因为该逻辑电路由门电路和触发器构成的复杂树型网络，所以称为硬布线控制器。
缺点：（A）．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能是不可能的（B）．当执行不同的机器指令时，通过激活一系列彼此很不相同的控制信号来实现对指令的解释，其结果使得控制器往往很少有明确的结构而变得杂乱无章组合逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。
硬布线控制器逻辑设计中注意的事项 (1) 采用适宜指令格式，合理分配指令操作码； (2) 确定机器周期、节拍与主频； (3) 确定机器周期数及一周期内的操作； (4) 进行指令综合；综合所有指令的每一个操作命令，写出逻辑表达式，并进行化简。
(5) 明确组合逻辑电路。
将简化后的逻辑表达式用组合逻辑电路来实现。
操作命令的控制信号先用逻辑表达式列出，进行化简，考虑各种条件的约束，合理选用逻辑门电路、触发器等器件，采用组合逻辑电路的设计方法产生控制信号。
总之，控制信号的设计与实现，技巧性较强，目前已有一些专门的开发系统或工具供逻辑设计使用，但是，对全局的考虑主要依靠设计人员的智慧和经验实现。
2.微程序控制器采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。
所谓微程序控制方式是指微命令不是由组合逻辑电路产生的，而是由微指令译码产生。
一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干位命令以代码形式编写在一条微指令中，若干条微指令组成一端微程序，对应一条及其指令。
在设计CPU时，根据指令系统的需要，事先编制好各段微程序，且将它们存入一个专用存储器（称为控制存储器）中。
微程序控制器由指令寄存器IR、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、时序系统、控制存储器CM、微指令寄存器以及微地址形成电路。
硬布线控制器组合逻辑单元logisim设计原理
硬布线控制器组合逻辑单元logisim设计原理硬布线控制器是一种使用硬布线电路实现的组合逻辑控制器。
相比于其他逻辑控制器，硬布线控制器的一个主要优势是其实时性和可靠性。
这是因为硬布线控制器直接使用硬件电路实现逻辑功能，不需要经过中间步骤，使得其执行速度更快，同时也减少了电路中元件的数量，提高了电路的可靠性。
第一步是确定所需的逻辑功能。
硬布线控制器可以实现各种功能，如加法器、减法器、乘法器等。
设计者首先需要明确所需实现的功能，并根据功能需求来确定逻辑门的种类和数目。
第二步是确定输入和输出的位数。
输入和输出的位数决定了逻辑门的数量。
例如，如果需要一个8位加法器，需要8个输入引脚和2个输出引脚。
第三步是选择逻辑门的类型。
逻辑门有多种类型，如与门、或门、非门等。
选择逻辑门的类型需要根据功能需求和电路设计的时序要求来确定。
第四步是将逻辑门按照功能需求进行布线连接。
布线连接的方式可以通过各种方法实现，如连接线、跳线等。
具体的布线方式取决于电路设计者的个人喜好和电路的复杂程度。
第五步是进行模拟测试和调试。
设计者需要利用模拟工具，如logisim等，对设计的电路进行模拟测试和调试。
通过模拟测试，可以验证电路的正确性和稳定性，并进行必要的调整和优化。
以上是硬布线控制器的设计原理。
设计者需要在明确功能需求的基础上，选择适当的逻辑门类型，并进行布线连接。
通过模拟测试和调试，最终实现所需的功能。
硬布线控制器的设计过程需要充分考虑电路的性能要求和电路元件的可靠性，以确保电路的正确运行和长期稳定性。
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。
硬布线控制器的方法原理
硬布线控制器的方法原理硬布线控制器是一种常用的电气控制设备，用于实现电气设备的远程控制和自动化控制。
本文将介绍硬布线控制器的基本工作原理、主要组成部分和应用场合。
工作原理硬布线控制器是通过硬布线连接各种传感器和执行器，通过编程实现电气设备的自动化控制。
其基本工作原理是利用电磁继电器等电气元器件实现电路的断开和闭合，并调节输出信号的电压值来控制执行器的运动。
具体来说，当外部信号作用于传感器时，硬布线控制器将接收到相应的信号，并对信号进行解码和判断。
根据预先设定的逻辑控制程序，硬布线控制器将输出相应的控制信号，控制执行器的动作。
组成部分硬布线控制器主要由控制器、信号采集模块、执行模块、电源模块等组成，具体包括以下几个方面：控制器硬布线控制器的控制器通常由高速处理器芯片组成。
控制器负责接收各种传感器信号，进行逻辑判断，并向执行模块输出控制信号。
信号采集模块信号采集模块是硬布线控制器的重要组成部分。
其主要功能是对外部信号进行检测和采集，并将数字信号通过接口传输到控制器中进行处理。
执行模块执行模块是实现硬布线控制器输出信号的关键部件。
执行模块通常由电磁继电器、电机等执行器组成，负责执行控制器输出的控制信号，并将操作结果反馈给控制器。
电源模块电源模块为硬布线控制器提供工作所需的电源，一般采用直流电源或交流电源。
其主要功能是将电源电压转换为控制器和执行模块所需的工作电压。
应用场合硬布线控制器广泛应用于自动化生产线、智能建筑、环境监测等领域。
以下是一些应用场合的举例：自动化生产线硬布线控制器可以实现自动化生产线上的各种执行器的控制，保证不同设备之间的同步协调和高效运转。
智能建筑在智能建筑中，硬布线控制器主要负责对综合楼宇自动化领域的照明、温度、湿度、空气流通、门窗控制等设备进行自动化控制。
环境监测硬布线控制器也可以应用在环境监测领域，通过对温度、湿度、空气质量等环境参数的监测，实现环境数据的采集和分析。
总结硬布线控制器是一种常用的电气控制设备。
计算机组成原理chp5详解
5.2.1 指令周期的基本概念
CAI
11
5.2.1 指令周期的基本概念
概念
指令周期：指取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部 时间。 各种指令的指令周期相同吗？为什么？
CPU周期通常又称时钟周期
通常把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期 完成一个基本操作。 主存的工作周期(存取周期)为基础来规定CPU周期，比如， 可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期 不同的指令，可能包含不同数目的CPU周期。 一个CPU周期中，包含若干个节拍脉冲（T周期）。 单周期、多周期的概念
31
5.3.1、时序产生器作用和体制
2.
体制 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是 电位—脉冲制（以触发器为例） D为电位输入端，CP（Clock Pulse）为脉冲输入端 R,S为电位输入端 特性方程如下
D=0时，CP上升沿到来时，D触发器状态置0 D=1时，CP上升沿到来时，D触发器状态置1
48
5.4.1微程序控制原理
微指令寄存器(μIR)
用来存放从μCM取出的正在执行的微指令，它的位数同 微指令字长相等。 用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连 续执行。 它接受微地址形成部件送来的微地址，为下一步从μCM 中读取微指令作准备。
微地址形成部件
微地址寄存器(μMAR)
12
5.2.1 指令周期的基本概念
时钟周期
在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作 有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因 而需要把一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一 个时间段称为一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。时钟周期不等于 T周期。
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
硬布线控制器和微程序控制器
硬布线控制器和微程序控制器1.硬布线控制器硬布线控制器是将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，产生各种控制信号，因而又称为组合逻辑控制器。
这种逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标，因为该逻辑电路由门电路和触发器构成的复杂树型网络，所以称为硬布线控制器。
缺点:(A)(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能是不可能的(B)(当执行不同的机器指令时，通过激活一系列彼此很不相同的控制信号来实现对指令的解释，其结果使得控制器往往很少有明确的结构而变得杂乱无章组合逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。
硬布线控制器逻辑设计中注意的事项(1) 采用适宜指令格式，合理分配指令操作码;(2) 确定机器周期、节拍与主频;(3) 确定机器周期数及一周期内的操作;(4) 进行指令综合; 综合所有指令的每一个操作命令，写出逻辑表达式，并进行化简。
(5) 明确组合逻辑电路。
将简化后的逻辑表达式用组合逻辑电路来实现。
操作命令的控制信号先用逻辑表达式列出，进行化简，考虑各种条件的约束，合理选用逻辑门电路、触发器等器件，采用组合逻辑电路的设计方法产生控制信号。
总之，控制信号的设计与实现，技巧性较强，目前已有一些专门的开发系统或工具供逻辑设计使用，但是，对全局的考虑主要依靠设计人员的智慧和经验实现。
2.微程序控制器采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。
所谓微程序控制方式是指微命令不是由组合逻辑电路产生的，而是由微指令译码产生。
一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干位命令以代码形式编写在一条微指令中，若干条微指令组成一端微程序，对应一条及其指令。
在设计CPU时，根据指令系统的需要，事先编制好各段微程序，且将它们存入一个专用存储器(称为控制存储器)中。
微程序控制器由指令寄存器IR、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、时序系统、控制存储器CM、微指令寄存器以及微地址形成电路。
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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。
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。
硬布线控制器结构方框图
某一微操作控制信号C是指令操作码译码器输出Im、时序信号（节 拍电位Mi，节拍脉冲Tk）和状态条件信号Bj的逻辑函数。
5.5 硬布线控制器
3、逻辑原理 （1）逻辑原理图 C f ( I m , M i , Tk , B j )
• C是输出，作为为微操作控制信号 • Im为译码器输出 • Mi为节拍电位 • Tk为节拍脉冲 • Bj为状态条件，即反馈信息
例3: 根据图5.29，写出以下操作控制信号RD （I）、RD（D）、WE（D）、LDPC、 LDIR、LDAR、LDDR、PC+1、LDR2的逻 辑表达式。其中每个操作控制信号的含义是：
• • • • • • • • • RD（I）—指存读命令 RD（D）—数存读命令 WE（D）——数存写命令 LDPC—打入程序计数器 LDIR—打入指令寄存器 LDAR—打入数存地址寄存器 LDDR—打入数据缓冲寄存器 PC+1—程序计数器加1 LDR2—打入R1寄存器
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， 从而激活这条控制信号线，对执行部件实施控 制。
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ADD、ST源自、JMP、 NOP、CLAT2
T3 T4 T1 T2 T3 T4 ADD、STA ADD、STA、JMP
M3
进行微操作信号的综合
图5.29中五条指令的微操作控制信号举例。
LDAR=M1· T4+M2(ADD+STA+JMP)· T4 LDDR=M1· T3+M3(ADD+STA)· T3 LDIR=M1· T4 其中M1、M2、M3是三个节拍电位信号；T3、 T4为时钟周期信号；ADD、STA、JMP是指令OP字段 译码器的输出信号。 • 最后给出电路（省略） • • • •
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。
数据通路图
RD/WR
LDDR
LDIR
PC+1
LDPC LDAR
图5.29 硬布线控制器的指令周期流程图
列出微操作时间表（根据数据通路和操作流 程图） 节拍
电位 脉冲 LDAR LDDR LDIR
T1
T2 M1 T3 T4 T1 M2 ADD、STA、JMP、 NOP、CLA
ADD、STA、JMP、 NOP、CLA
硬布线控制器
5.5 硬布线控制器
1、实现方法
• 通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控 制方式，由门电路和触发器构成物理布线。
2、设计目标
• • • • • 使用最少元件（复杂的树形网络） 操作速度最高 结构复杂不易调试，小的修改需要全盘重新设计布线 VLSI与速度需求 硬布线控制器的没落和复兴…