第20讲 硬布线控制器PPT课件
第06章硬布线控制器
对每一条指令都进行同样的分析，得出逻辑表达式。 对每一条指令都进行同样的分析，得出逻辑表达式。
主要结论： 主要结论：
（1）取指周期cy1的信号对所有指令均相同。 取指周期cy 的信号对所有指令均相同。 （2）同一控制信号可能在多个指令中运用。 同一控制信号可能在多个指令中运用。 加法指令·cy2+ 加法指令·cy4 如：‘+’= 加法指令 cy2+ 加法指令 cy4 + 减法指 令·cy2+ 转移指令 cy2+…… cy2+ 转移指令·cy2+ （3）同种类型的指令所需要的控制信号大部分相同。 同种类型的指令所需要的控制信号大部分相同。 如：所有的算术逻辑运算指令仅在ALU的操作命令及 所有的算术逻辑运算指令仅在ALU的操作命令及 ALU 是否置状态位上不同，其他均完全相同。 是否置状态位上不同，其他均完全相同。 （4）在确定指令操作码时，要认真做好分类。 在确定指令操作码时，要认真做好分类。
一、 时序与节拍
一条指令的实现可分成:取指、计算地址、 一条指令的实现可分成:取指、计算地址、取数及执行 等几个步骤。在微程序控制方式中， 等几个步骤。在微程序控制方式中，每一步由一条微指令实 现，而硬布线控制方式则由指令的操作码直接控制并产生实 现上述各步骤所需的控制信号 控制信号。 现上述各步骤所需的控制信号。一条指令的每一步由一个机 器周期实现，如何区分一条指令的四个机器周期呢? 器周期实现，如何区分一条指令的四个机器周期呢? 方法有两种： 方法有两种： 方法1. 方法1. 两位计数器的译码输出产生的四个状态来表示当 前所处的机器周期，（ ，（2 译码器）如图6 31所示 所示； 前所处的机器周期，（2－4译码器）如图6．31所示； 方法2. 用四位触发器来分别表示四个周期， 方法2. 用四位触发器来分别表示四个周期，当机器处于 某一周期时，相应的触发器处于“ 状态， 某一周期时，相应的触发器处于“1”状态，而其余三个触 发器则处于“ 状态，四位移位寄存器即可实现此功能。 发器则处于“0”状态，四位移位寄存器即可实现此功能。
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。
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。
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
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设计原理硬件布线控制器是一种用于控制计算机硬件的电路单元。
它通过输入和输出设备（如键盘、显示器、鼠标等）与计算机的中央处理器（CPU）进行通信，控制计算机各个部件的操作和数据传输。
硬布线控制器的设计原理是通过使用组合逻辑单元来实现不同的控制功能。
组合逻辑单元是由一系列逻辑门和触发器等构成的，它们可以实现不同的布尔逻辑运算。
在硬布线控制器中，组合逻辑单元被用于实现指令解码、数据传输控制、算术逻辑操作等功能。
在硬布线控制器中，指令解码是其中的一个重要功能。
当计算机接收到指令时，硬布线控制器会将指令进行解码，确定所需的操作，并将其发送到对应的硬件模块执行。
为了实现指令解码，可以使用译码器、多路选择器等组合逻辑单元来实现。
在解码过程中，控制器还需要保存程序计数器（PC）的值，以确保指令的顺序和正确运行。
数据传输控制是另一个重要的功能。
在计算机运行过程中，数据的输入和输出是不可避免的。
硬布线控制器使用组合逻辑单元来控制数据的输入和输出，包括通过总线（如地址总线、数据总线等）进行数据传输、选择合适的存储单元来存储数据等。
此外，硬布线控制器还可以实现算术逻辑操作。
在计算机运行过程中，通常需要进行一些数学或逻辑运算，如加法、减法、与门、或门、非门等。
硬布线控制器使用组合逻辑单元来实现这些运算，以支持计算机对数据的处理和操作。
总之，硬布线控制器通过使用组合逻辑单元实现了各种控制功能，以及数据传输和运算等操作。
它是计算机系统中不可或缺的一部分，能够使计算机能够进行各种操作，并且高效地处理和传输数据。
设计和理解硬布线控制器的原理对于学习和理解计算机系统的工作原理至关重要。
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DBUS图4 数据通路总体图老师提供的控制台指令流程图：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。
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。
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。
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。
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集成电路中的一种重要设计结构，用于实现各种逻辑电路的功能。
在硬布线控制器中，组合逻辑单元是其中的关键部分，它由多个逻辑门和/或逻辑门组成，用于实现不同的逻辑功能。
本文将探讨硬布线控制器组合逻辑单元的设计原理。
首先，硬布线控制器的组合逻辑单元设计需要考虑以下几个方面：输入与输出、功能实现、电路连接和电路延迟。
接下来，将详细介绍这些方面。
输入与输出是组合逻辑单元设计的基础，通常由多个输入引脚和一个输出引脚组成。
输入引脚用于接收输入信号，输出引脚用于输出逻辑计算的结果。
每个输入引脚可以是高电平（1）或低电平（0），根据每个逻辑门的真值表，可以得出输出引脚的电平。
功能实现是硬布线控制器的关键目标，通过逻辑门的组合和连接，可以实现各种布尔函数的功能。
常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门等。
通过组合这些逻辑门，可以实现各种布尔函数的逻辑计算，从而实现所需的功能。
电路连接是硬布线控制器设计过程中需要考虑的重要因素。
逻辑门之间的连接方式有串联和并联两种。
串联连接表示逻辑门的输出与下一个逻辑门的输入相连，这种连接方式可以通过将输出与输入引脚相连实现。
并联连接表示多个逻辑门的输出连接在一起，这种连接方式可以通过将多个逻辑门的输出引脚都连接到同一个输入引脚实现。
通过逻辑门之间的合理连接，可以实现复杂的逻辑计算功能。
电路延迟是硬布线控制器设计过程中需要考虑的另一个重要因素。
逻辑门的计算需要一定的时间，在计算过程中，输入引脚的电平可能发生变化，这会导致逻辑计算的结果发生错误。
为了解决这个问题，可以在逻辑门的输出和下一个逻辑门的输入之间添加寄存器或缓冲器，用于存储逻辑计算的结果并保持其稳定状态，从而避免电路延迟带来的错误。
综上所述，硬布线控制器组合逻辑单元的设计原理是通过输入与输出、功能实现、电路连接和电路延迟等方面的考虑，构建合适的逻辑门组合以实现所需功能。
掌握这些设计原理，可以帮助我们更好地理解硬布线控制器的工作原理，从而有效地进行硬布线控制器的设计与应用。
硬布线
控制器中的其他组成部分不会因为采用的控制方 式不同而有差异。但不同的机器， 式不同而有差异。但不同的机器，控制器的基本 原理虽然相同，其具体组成及控制信号的时序等， 原理虽然相同，其具体组成及控制信号的时序等， 差别是很大的。 差别是很大的。
2
时序与节拍
在指令的运行中，由指令操作码直接控制产生各 在指令的运行中， 步骤所需要的控制信号。 步骤所需要的控制信号。每一步由一个机器周期 实现： 实现：
计数器译码输出 触发器
不同指令，功能不同，所需机器周期数不同。 不同指令，功能不同，所需机器周期数不同。
根据指令功能列出每条指令的机器周期变化规律， 根据指令功能列出每条指令的机器周期变化规律，情 况相同的归为一类，使用一种时序逻辑。 况相同的归为一类，使用一种时序逻辑。
3
控制信号的产生
操作码译码
将IR中的操作码送译码器译码后与周期信号一 中的操作码送译码器译码后与周期信号一 起作为组合逻辑电路的输入量。 起作为组合逻辑电路的输入量。 图6.33
操作控制信号的产生
将指令译码的信号和相应周期信号相与后产生 操作控制信号。 操作控制信号。
4
控制器的组成
PC计数器、中断控制逻辑 计数器、 计数器 译码器 硬布线逻辑（PLA、PAL、GAL） 硬布线逻辑（ 、 、 ） P205 图6.35
I1 E1 I2 E2 ……
多条指令并行执行的工作原理： 多条指令并行执行的工作原理： 时间上的重叠 工作过程并行
8
流水线工作
指令操作流水线 运算操作流水线 流水线的问题
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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（3）微程序控制器因为每次要对控制存 储器进行读取，因而速度较慢，组合逻 辑控制器速度较快，仅取决于电路延迟；
（4）一般计算机采用微程序控制器，只 有RISC采用组合逻辑控制器。
（1）同步控制
由CPU或其他设备提供
①定义：各项操作受统一时序控制。
②特点：有明显时序时间划分，时钟周期时
间固定，各步操作的衔接、各部件之间的数
据传送受严格同步定时控制。
③优缺点：时序关系简单，时序划分规整，
控制不复杂；控制逻辑易于集中，便于管理。
时间安排不合理。
④应用场合：用于CPU内部、设备内部、系
按操作码对数据进行运算处理。
3 时序控制方式
是一个工作周
即时序信号与操作的关系 期中每个步骤 1.硬布线控制器的时序划分 需要多长时间
●
采用三级时序指系令统执：行过程
中一个操作阶
工作脉冲1 工作脉冲2
….. ……….
段需要的时时钟间周期1
(节拍1)
工作周期1 时钟周期2 工作脉冲k
(节拍2)
指令周期
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
信号
4.状态寄存器PSW
来自M
功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。
例. 某机的PSW
15
12 11
87 6 5 4 3 2 1 0
工作方式
优先级 T N Z V C
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
控制最基本的操作(微操作)的命令
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
信号
2.程序计数器PC
来自M
功能：指示指令在M中的位置。
顺序执行： PC+1
转移执行： PC先+1，再用转移地址修改PC
微命令序列
I/O状态 控制台信息
总线周期长度可变，时钟周期长度不变。
例.一个总线周期包含4个时钟周期
T1 T2 T3 T4
时钟
送地址 读/写数据 结束
总线周期(4T)
同步方式
时钟
T1
送地址
T2 T3 Tw4
读/写数据
T4
结束
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。
CPU使用 CPU使用 设备使用 CPU使用
总线 总线
总线
总线
RTQ/G
若干时钟
若干时钟
设备请求 CPU响应， 设备释放
总线权 总线权交设备 总线权
CPU 设备 CPU 设备 CPU 设备
4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用 1.组合逻辑控制方式
综合化简产生微命令的条件，形成逻辑 式，用组合逻辑电路实现；
执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发 生器)在相应时间发出所需微命令，控制 有关操作。
2.优缺点 ● 产生微命令的速度较快。 ● 设计不规整，设计效率较低； ● 不易修改、扩展指令系统功能。
3.应用场合 用于高速计算机，或小规模计算机。
组合逻辑控制器与微程序控制器的比 较
（1）微程序控制器采用软件进行控制， 组合逻辑控制器采用硬件进行控制；
统总线操作 (各挂接部件速度相近，传送时间确
定，传送距离较近)。
（2）异步控制
①定义：各项操作按不同需要安排时间，不受统 一时序控制。
②特点:无统一时钟周期划分，各操作间的衔
接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。
例.异步传送操作 ● 主设备： 申请并掌握总线权的设备。 ● 从设备： 响应主设备请求的设备。
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
5.时序线路
来自M
功能：控制操作时间和操作时刻。
产生脉冲型 微命令，控 制定时操作
振荡器
分频器
时钟脉冲
工作脉冲
产生电位
型微命令，
控制操作
时间段 时钟周期(节拍)
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
OP 寻
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)
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
来自M
2 控制器工作过程
1.取指令 PC 地址
PC+1
M 指令 PC
IR 、译码(θ、寻址方式)
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
2.取数
来自M
按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器 取数。 3.执行
第20讲 硬布线控制器
一条指令的实现可分成取指、计算地址、 取数及执行等几个步骤。在微程序控制方 式中，每一步由一条微指令实现，硬布线 控制的计算机中由指令的操作码直接控制 并产生实现上述各步骤所需的控制信号。 在大部分情况下，每一步由一个机器周期 实现。
硬布线控制器原理
1 控制器组成
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
信号
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
来自M
微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
信号
来自M
1.微命令发生器
电位型 功能：产生全机所需的各种微命令 脉冲型
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
…...
送M
译 码
OP 寻
IR
PC
+1
地址形成 送M或ALU
D
信号
3.指令寄存器IR
来自M
功能：存放现行指令。
决定操作
操作码字段 译码器 微命令发生器 性质
寻
地址码字段 地址形成部件 操作数地址D转移地址微命令序列
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令 发生器
PSW
时序
….
工作周期2
工作脉冲用来对微
……
时钟周操期作m进行定时（针
(节拍m对)寄存器的操作）
工作周期n
….
● 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
时钟T1 控制分步操作时间
取出指令
时钟T2
修改PC
工作周期1 控制不同阶段操作时间 取指
工作周期2 工作周期3
取数
指令周期
执行
2.时序控制方式及其变化