硬布线控制器(精)
硬布线控制器组合逻辑单元logisim设计原理(一)
硬布线控制器组合逻辑单元logisim设计原理(一)硬布线控制器组合逻辑单元logisim设计引言在数字电路设计中，组合逻辑电路（Combinational Logic Circuit）由一系列的逻辑门和逻辑门之间的连线组成。
而硬布线控制器（Hardwired Control Unit）是指根据固定的逻辑规则实现的指令解析和控制信号生成功能的电路单元。
在本文中，我们将介绍如何利用logisim设计一个基本的硬布线控制器组合逻辑单元。
设计原理硬布线控制器的核心是组合逻辑电路，通过逻辑门和逻辑门之间的连线实现不同的控制信号生成功能。
在logisim中，我们可以利用预置的逻辑门模块和连线工具来实现硬布线控制器的设计。
步骤1.导入logisim在首先，我们需要下载并安装logisim软件。
logisim是一款开源的数字电路设计工具，提供了丰富的组合逻辑元件和连线工具。
2.创建新电路打开logisim后，点击“新建”按钮创建一个新的电路文件。
我们可以将电路文件保存为任意名称，方便后续使用。
3.添加输入端口在logisim中，我们可以通过添加端口元件来实现输入和输出的连接。
点击“添加”按钮，在弹出的菜单中选择“端口”，然后将端口元件拖放到电路画布上。
4.添加逻辑门元件根据具体的设计需求，我们可以在logisim中选择合适的逻辑门元件。
点击“添加”按钮，在弹出的菜单中选择对应的逻辑门元件，然后将其拖放到电路画布上。
5.连线连接通过选中逻辑门元件和端口元件，使用连线工具将它们连接起来。
可以通过点击逻辑门元件或端口元件的输入或输出端口，然后拖动连线工具来绘制连线。
6.设计控制信号逻辑利用不同的逻辑门元件和连线工具，根据逻辑规则来设计控制信号的生成逻辑。
可以使用与门、或门、非门等来实现逻辑运算，并利用连线工具进行输入端口和逻辑门元件之间的连接。
7.添加输出端口在logisim中，通过添加输出端口元件来输出结果。
点击“添加”按钮，在弹出的菜单中选择“端口”，然后将端口元件拖放到电路画布上。
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
计算机科学技术：计算机体系结构真题
计算机科学技术：计算机体系结构真题1、问答题简述自上而下的设计方法？答案：从用户的需求出发，先确定应用级虚拟机所具有的基本功能特性,然后逐级向下设计。
对于以下的每一级，都必须考虑使上一级优化实现。
2、填空题根据指令系统功能结构的不同，计算机体系结构发展趋势呈现（）和（）两种截然不同的方向，相同的指令系统可以通过“（）”或“（）”的方法来实现。
答案：复杂指令集计算技术；精简指令集计算技术；微程序控制器；硬布线3、问答题多机系统的耦合度可以分为哪几类？答案：（1）最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也无共享的联机硬件资源。
（2）松散耦合：通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。
（3）紧密耦合：机间物理连接的频带较高，往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。
4、问答题在分布式存储器结构的机器中，对应于两种地址空间的组织方案，分别有哪两种通信机制？它们是怎么实现的？答案：（1）共享地址空间的机器：可利用1oad和StOre指令中的地址隐含地进行数据通信，因而可称为共享存储器机器。
（2）多个地址空间的机器：根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。
因而这种机器常称为消息传递机器。
5、问答题请叙述设计一个I/O子系统的步骤。
答案：A、列出将要链接到计算机的I/O设备的类型，或者列出机器将要支持的标准总线。
B、列出每种I/O设备的物理要求，包括：容量、电源、连接器、总线槽、扩展机箱等等。
C、列出每种I/O设备的开销，包括设备所需要的控制器的开销。
D、记录每种I/O设备对CPU资源的要求。
E、列出每种I/O设备对存储器和总线资源的要求。
F、按照不同的方法组织I/O设备，并计算其性能和开销。
6、填空题对于采用预取技术来降低失效率的方法，目的是要使O,预取优化的主要对象是（）。
答案：执行指令和读取数据能重叠执行；循环7、问答题什么是“程序的动态定位方式”？答案：利用类似变址寻址方法，有硬件支持完成。
计算机组成原理实验 硬布线控制器
精品文档-计算机组成与系统结构(裘雪红)-第6章
第6章 中央处理器(CPU)
14
图 6.5 计数型节拍脉冲发生器(节拍数≤16)
第6章 中央处理器(CPU)
15
(2) CPU周期(机器周期)信号的产生。若干个节拍组成一个 CPU周期。CPU周期可以设计为定长与不定长两种。
第6章 中央处理器(CPU)
16
图 6.6 移位型节拍脉冲发生器(节拍数≤8)
第6章 中央处理器(CPU)
20
当连续的某些微操作动作不会相互干扰(可并行执行)时， 为了节省时间，可将其放在同一节拍中完成，如第2、3个微操 作被放在了T2节拍中。也可将第3、4个微操作组合在一起，即
第6章 中央处理器(CPU)
21
组合一个微操作序列应遵守两个基本规则: (1) 遵守操作发生的顺序。如微操作AR←PC必须在
第6章 中央处理器(CPU)
40
根据对一条指令相应的微操作序列的时序描述方法的不同， 时序产生器有两种设计方法。
一是采用一级时序，即只产生节拍信号，时序产生器可采 用图6.5或图6.6的电路实现。此时，一条指令执行的全过程是 用一个从取指令到执行指令的完整微操作序列来描述的，
而且对这个微操作序列也是从头至尾分配节拍的。
(1) 产生微命令。 (2) 按节拍产生微命令。
第6章 中央处理器(CPU)
37
图 6.8 控制器模型
第6章 中央处理器(CPU)
38
设计者在设计控制器之前需要做以下工作: (1) 定义计算机基本硬件组成和基本指令系统;
(2) 基于定义的硬件结构，针对每条指令，描述CPU完成的 微操作;
(3) 确定控制单元应该完成的功能，即何时产生何种微命
PCout＝T1＋T5·JZ(相对寻址)·(ZF=1)＋T4·CALL(间接寻 址)＋…(一级时序)
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。
计算机组成原理名词解释和简答
计算机组成原理名词解释和简答第一章名词解释：1.中央处理器：主要由运算器和控制器组成。
控制部件，运算部件，存储部件相互协调，共同完成对指令的执行。
2.ALU：对数据进行算术和逻辑运算处理的部件。
3.数据通路：由操作元件和存储元件通过总线或分散方式连接而成的进行数据存储，处理和传送的路径。
4.控制器：对指令进行译码，产生各种操作控制信号，规定各个部件在何时做什么动作来控制数据的流动。
5.主存：存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。
6.ISA：指令集体系结构：计算机硬件与系统软件之间的接口。
指令系统是核心部分，还包括数据类型，数据格式的定义，寄存器设计，I/O空间编址，数据传输方式，中断结构等。
7.响应时间：作业从开始提交到完成的时间，包括CPU执行时间，等待I/O的时间，系统运行其他用户程序的时间，以及操作系统运行时间。
8.CPU执行时间：CPU真正用于程序执行的时间。
包括用户CPU时间（执行用户程序代码的时间）和系统CPU时间（为了执行用户代码而需要CPU运行操作系统的时间）简答题：1.冯诺依曼计算机由那几部分组成，主要思想：①计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。
②各基本部件的功能是：存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；控制器应能自动执行指令；运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信。
③采用“存储程序”工作方式。
2.从源程序到可执行程序的过程：第二章名词解释：1.定点数：计算机中小数点固定在最左（或右）边的数2.汉字输入码：汉字用相应按键的组合进行编码表示3.汉字内码：计算机内部进行汉字存储，查找，传输和处理而采用的存储方式，两个字节表示一个内码4.大端方式：数据字的最低有效字节存放在大地址单元中5.边界对齐：要求数据的地址是相应的边界地址。
计算机原理6.8硬布线控制器设计
计算机原理6.8硬布线控制器设计1、基本原理控制器的核⼼功能是完成指令的⾃动执⾏，⽽指令的⾃动执⾏有赖于各功能部件之间的数据通路的建⽴，⽽数据通路的建⽴，有赖于控制器⽣成控制信号的序列，所以，从宏观上看，控制器可以看作为⼀个能够产⽣固定的时序控制信号的逻辑电路。
这个逻辑电路的输⼊是指令译码信号，每⼀条指令都会产⽣⼀个译码输出，另⼀个输⼊是时钟信号，还有就是指令执⾏时的⼀些反馈信号，输出就是各功能部件所需要的微操作控制信号序列，2、单总线结构CPU3、单总线结构CPU指令周期在设计硬布线控制器的时候有两种思路，第⼀种是所有的指令执⾏可能是定长的指令周期，在这种⽅法⾥，我们应该取所有指令⾥⾯最慢的那条指令进⾏同步，在这⾥因为load指令所需要的时间最长，所以我们⽤load指令的8个时钟周期进⾏同步，它需要两个机器周期分别完成取指令和执⾏指令（这⾥假设⼀个机器周期为4个时钟周期）第⼆种⽅法就是⽤边长指令周期的⽅法，更加灵活。
⾸先来看定长指令周期的设计过程：要设计定长指令周期，我们需要⾸先构建它的时序产⽣器，也就是⽣成传统的三级时序的这样⼀个时序产⽣器，由三级时序产⽣器⾥⾯⾮常重要的⼀个基础的时钟，就是节拍脉冲，由节拍脉冲⽣成具体的状态周期电位，状态周期电位包括取指令周期单位和执⾏指令周期单位，这个电位信号标识对应当前指令处于哪⼀个周期，我们还要有节拍电位，三级时序指的就是，节拍脉冲、状态周期电位、节拍电位。
5、时序产⽣器状态机6、硬布线控制器基本架构7、单总线cpu控制信号⽣成8、固定指令周期硬布线控制器设计过程1、设计三级时序产⽣器：所有指令固定机器周期数，节拍数2、列出所有机器指令的指令周期流程图，明确每个节拍的控制信号，3、找出产⽣同⼀微操作控制信号的条件4、写处各微操作控制信号的布尔表达式5、化简各表达式6、利⽤组合逻辑电路实现。
变长指令周期的硬布线控制器设计在指令执⾏过程中，状态的切换除了与时钟有关系以外，还跟指令的译码信号有关系，我们将所有指令在执⾏的不同阶段，都⽤⼀个状态唯⼀的标识，⽐如上表中，将指令分节拍表⽰成了16个状态来表⽰，我们⽤⼀个四位的状态机来表⽰指令执⾏的不同的状态，这样的话，指令执⾏过程中，所有的信号只与对应的状态有关，所以有了状态机以后，对应的最终的控制信号，只与状态机的现态有关。
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用于控制家庭自动化系统的控制器。
它通常是一个小型电脑设备，能够控制和监视各种设备和系统，例如照明、温度和安全系统。
在本文中，我们将介绍硬布线控制器的工作原理以及它为什么能够成为家庭自动化系统的核心。
硬布线控制器的工作原理硬布线控制器的工作原理可以概括为三个步骤：侦听、解释和执行。
侦听硬布线控制器会在系统中侦听所有连接设备和传感器之间的通信，包括开关、温度控制器、运动传感器等。
控制器会通过硬件接口实时读取这些设备或传感器的状态，并将其传送到处理器中进行处理。
控制器必须能够读取传感器状态的变化，并且在读取变化后立即采取行动。
解释控制器将捕捉到的数据与其内置的逻辑程序进行比较。
例如，如果传感器检测到光线水平下降，则控制器可能会解释为“太阳已经下山了”。
控制器将检查这个事件是否需要触发其他设备进行操作。
例如，在此情况下，它可能会从照明系统中选择一组灯应该打开，以补充日光不足。
执行控制器将从其逻辑程序中获取接下来应该采取的行动，然后开始执行这些行动。
例如，上一个例子中，控制器将发送命令给照明系统，要求打开某组灯，调整亮度和颜色，以满足特定的条件。
控制器将确保命令已正确发送给该设备，并在接收到确认后检查其状态。
硬布线控制器的特点硬布线控制器是一种在家庭自动化系统中广泛使用的控制设备，其主要特点包括以下几点：可扩展性硬布线控制器设计目的之一是要支持系统的可扩展性。
因此，它可以与更多的传感器和设备相连接。
这使得它在家庭自动化系统中变得更加灵活和适应性强。
高响应时间硬布线控制器通过监视连接的设备和传感器的通信来实时响应事件，因此它可以几乎立即做出决策并反映到家庭自动化系统中。
这使得它在安全和能源管理方面成为一种非常实用和有价值的工具。
安全硬布线控制器在家庭自动化系统中起着非常重要的作用，因此必须具有安全保护措施。
现代硬件控制器通常使用各种加密技术来确保其通信和数据保密性。
系统集成硬布线控制器具有强大的系统集成能力，可以与其他家庭自动化系统中的设备和系统集成。
TEC-XP教学实验系统硬件组成说明
TEC-XP教学实验系统硬件组成说明一、运算器部分1——4：运算器芯片。
由4片4位的运算器芯片AM2901组成。
4片级连构成一个16位的运算器，片间采用串行进位的方式。
5：标志寄存器FLAG。
4位，用来保存运算器运算结果的4个标志位C、Z、V、S。
6：SHIFT芯片。
产生运算器最低位的进位输入信号和移位信号。
二、控制器部分本系统提供了硬布线控制器和微程序控制器两种控制器。
（一）硬布线控制器程序计数器PC。
用运算器芯片内的一个16位寄存器来表示（用户看不到）。
7、9：指令寄存器IR。
由两片8位D锁存器芯片74LS374和74LS377构成。
74LS374和74LS377为带公共使能端的具有三态输出的八 D 边沿触发器。
9、65：节拍发生器Timing。
使用几个触发器的不同编码状态来区分和标示指令的执行步骤。
10：时序控制信号产生器MACH5。
用一片100引脚的CPLD器件实现。
用于产生并提供每一条指令的每一个执行步骤使用的全部时序控制信号，这些信号可以直接送到每个被控制的对象，或者经过译码器送到被控制的对象。
11、12：译码器。
由两片三——八译码器芯片（74LS138）实现。
（二）微程序控制器程序计数器PC。
（同硬布线控制器）。
7、9：指令寄存器IR。
（同硬布线控制器）。
14：微指令地址映射部件MAPROM。
由一片28C64型ROM芯片实现。
MAPROM的地址输入是指令寄存器IR给出的8位指令操作码，其输出内容为这条指令对应的微程序段的入口地址。
13：微程序控制器AM2910。
用于产生下一条微指令的地址。
18：微指令转移的条件判断电路。
由一片GAL20V8实现。
15、16：控制存储器。
由两片28C64型ROM芯片构成。
用于存放本系统的微程序。
（15、16只是控制存储器的一部分，用于存放微指令的16位下地址。
另一部分在芯片10中，存放32位的微命令信号）47、51：微指令寄存器。
由一片8位D锁存器芯片74LS374和一片8位带清0控制的D锁存器芯片74LS273构成。
计算机组织与结构知到章节答案智慧树2023年河北师范大学
计算机组织与结构知到章节测试答案智慧树2023年最新河北师范大学第一章测试1.运算器的主要功能是执行（）。
参考答案:算术运算和逻辑运算2.冯·诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，其主要原因是（）。
参考答案:便于用逻辑门电路实现算术运算;制造两个稳态的物理器件较容易;二进制的运算规则简单3.下列软件中，不属于系统软件的是（）。
参考答案:C语言源程序4.MIPS描述（）。
参考答案:计算机的整数运算速度5.下列选项中，能缩短程序执行时间的是（）。
<br>Ⅰ提高CPU的时钟频率Ⅱ优化数据通路结构Ⅲ对程序进行编译优化参考答案:Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ第二章测试1.88H可表示成多种形式，以下选项中错误的表示是（）。
参考答案:8位二进制数-8的补码2.某计算机以两个字节存储短整数，若某短整数在内存中的机器码为FFFFH，则此短整数的真值不可能是（）。
参考答案:13.十进制-61的8位二进制原码是（）。
参考答案:101111014.当运算结果的最高位为1时，标志位（）。
参考答案:SF=15.若x=103, y=-25,则下列表达式采用8位定点补码运算实现时，会发生溢出的是（）。
参考答案:x-y6.整数x的机器数为1101 1000，分别对x进行逻辑右移1位和算术右移1位操作，得到的机器数分别为（）。
参考答案:0110 1100、1110 11007.下列有关浮点数加减运算的叙述中，正确的是（）。
<br>①对阶操作不会引起阶码上溢或下溢②右规和尾数舍入都可能引起阶码上溢<br>③左规时可能引起阶码下溢④尾数溢出时结果不一定溢出参考答案:①、②、③、④8.浮点数进行左规时，（）。
参考答案:尾数左移1位，阶码加-19.某机字长32位，其中1位表示符号位。
若用定点小数移码表示，则最大数为（）。
参考答案:(2^31-1) /2^3110.float 型数据通常用IEEE754单精度浮点数格式表示。
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。
第十五讲 控制器设计
（三）、微指令格式
1、水平型微指令 水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个 微命令的微指令。 格式如下 ：
控制字段 判断测试字段 下地址字段
水平型微指令特点： 优点： （1）微指令字较长，速度越快。 （2）微指令中的微操作有高度的并行性。 （3）微指令译码简单。 （4）控制存储器的纵向容量小，灵活性强。
计算机组成原理
3
4、逻辑原理
计算机组成原理
4
5、设计步骤
1、设计指令的操作码，确定指令长度是固定的还是可变长的。 确定机器周期、节拍与主频，确定机器周期是固定的还是可 变长的。 2、选择合适的控制方式和控制时序。 3、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.确定每一条指令所需的机器周期以及每一周期 所完成的操作。 4、对微操作流程图安排时序,排出微操作时间表. 5、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 6、根据微操作的表达式,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。
计算机组成原理 15
2.微指令和微程序 微指令:在机器的一个节拍中,一组实现一定操作功 能的微命令,或者说,控制存储器中每个单元存放的微 命令信息组成一条微指令。
微程序:由微指令组成的序列称为微程序,一个微程 序的功能对应一条机器指令的功能。
计算机组成原理 16
3.机器指令与微指令
机器指令指提供给使用者编程的基本单位,每一 条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 一条机器指令对应一组微指令组成的微程序。可 见,一条机器指令对应多条微指令,而一条微指令可为 多个机器指令服务。
计算机组成原理
11
二、PLA控制器的设计
模型机详细介绍
模型机详细介绍模型机的结构非常复杂，如果对模型机的结果和工作原理不了解的话在做模型机实验时将非常困难，所以在这里对模型机的结构、工作过程和控制器的控制原理等做详细介绍，以让大家更好的进行模型机实验，从而进一步理解计算机组成原理这门课程中的知识。
1. 模型机的结构模型机主要由运算器、控制器、存储器、数据总线、输入输出和时序产生器组成，模型机的结构图如图1所示。
图1模型机结构图(1) 运算器。
运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。
在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8位的运算器，ALU_G是ALU-G 实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU 的运算结果进行移位运算；数据暂存器在图1中由DR1和DR2组成，DR1 和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；通用寄存器在图1中由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374 实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。
(2) 控制器。
控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。
在图1中微程序控制器表示为MControl，它里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现(A138、B138和P138),用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于指明要读取或写入的地址；程序计数器在图1中由PC_G和PC 组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。
(3) 存储器。
存储器在图1中表示为MEN，存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。
计算机的控制器部
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开发成本高
可编程逻辑器件控制器的开发需要 专业的编程工具和技能，开发成本 相对较高。
不同类型比较与选择依据
01
性能需求
对于高性能计算机和实时控制系统，硬布线控制器或可编程逻辑器件控
制器可能更适合；对于通用计算机和大型计算机，微程序控制器可能更
合适。
02
灵活性需求
如果需要实现不同的控制逻辑或进行频繁的修改和扩展，可编程逻辑器
通过仿真工具模拟实际硬件环境， 对控制器的时序特性进行测试和 分析。
利用数学方法证明控制器的正确 性，包括等价性检查、模型检查 等。
优化策略及技巧分享
流水线设计
通过插入寄存器将一条指令的执行过程分解 为多个阶段，提高控制器的吞吐率。
高速缓存优化
采用高速缓存技术，减少访问主存的次数， 提高数据访问速度。
挑战与机遇并存，积极应对变革
技术挑战
随着新技术的不断涌现，计算机控制器面临着技术更新换代的压力和挑战。
市场机遇
新技术的发展为计算机控制器市场带来了新的增长点和发展机遇。
积极应对变革
企业需要加强技术研发和创新能力，紧跟市场变化和技术发展趋势，积极应对变革并抓住机遇。同时， 政府和社会各界也应加强合作和支持，共同推动计算机控制器产业的可持续发展。
件控制器可能更合适；如果控制逻辑相对固定，硬布线控制器可能更合
适。
03
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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。
5.6
硬布线控制器
1.基本思想 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，而此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。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。这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树 形网络，故称之为硬布线控制器。 硬布线控制器是计算机中最复杂的逻辑部件之一.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确的结构而变得杂乱无章 .结构上的这种缺陷使得硬布 线控制器的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.但是随着第四代机 器及 VLSI技术的发展，随机逻辑设计思想又得到了重视. 图 5.31示出了硬布线控制器的结构方框图.逻辑网络的输入 信号来源有三个 ：
（1）来自指令操作码译码器的输出 Im； （2）来自执行部件的反馈信息Bj； （3）来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号 M和 节拍脉冲信号T.其中节拍电位信号就是5.3节规定的机器周期 (CPU周期)信号，节拍脉冲信号是时钟周期信号. 逻辑网络N的输出信号就是微操作控制信号，它用来对执行 部件进行控制.另有一些信号则根据条件变量来改变时序发生 器的计数顺序，以便跳过某些状态，从而可以缩短指令周期 . 显然，硬布线控制器的基本原理，归纳起来可叙述为：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的函数， 即 C=f（Im，Mi，Tk，Bj） 这个控制信号是用门电路、触发器等许多器件采用组合逻辑 设计方法来实现的.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，在某一序号的特定节拍电位 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 .