三级时序硬布线控制器设计的基本步骤
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
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(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
计算机硬件技术基础——第七章3
PentiumⅡCPU采用了双独立总线结构，其中前端总线FBS主要负责与主存 储器的信息传送操作，后端总线连接到L2 Cache上。
动态执行技术包括以下几项技术：
1）多路分支预测：利用先进的、预测正确率高达90％的分支预测技 术，允许程序的几个分支流向同时在处理器中执行。处理器在取指令 时，还会在程序中寻找未来要执行的指令，加快了向处理器传递任务 的过程，并为指令执行顺序的优化提供了可调度基础。 2）数据流分析：处理器读取指令并经过译码后，判断该指令能否与其 他指令一起处理，然后处理器分析这些指令的数据相关性和资源可用 性，以优化的执行顺序高效率地处理这些指令。 3）推测执行：将多个程序流向的指令序列，以调度好的优化顺序送至 执行部件执行，尽量使多端口、多功能的执行部件保持“忙”状态。 因为程序流向是根据分支预测建立的，因此指令序列的执行结果只能 作为“预测结果”保留。一旦确定分支预测正确，已提前建立的“预 测结果”立即变成“最终结果”并及时修改机器的状态。显然，推测 执行可保证处理器的超标量流水线始终处于忙碌，加快了程序执行速 度，从而全面提高处理器的性能。
7.6 Pentium Ⅱ CPU
一、Pentium Ⅱ CPU的技术性能
PentiumⅡCPU——32位微处理器，超标量体系结构，MMX技术
MMX技术的基础是SIMD，可以并行处理8个8位数据或4个16位数据或2个32位 数据。MMX技术新增加了4种数据类型：紧缩字节类型──8个字节打包成一个64 位长的数据、紧缩字类型、紧缩双字类型和四字类型，还增加了57条新指令，另 外拥有8个64位的MMX寄存器。
2、计算地址与运算的冲突
解决的办法是增设部件
3、操作数相关问题
其解决方法是：
1）插入气泡法。该方法较简单，但降低了指令执行效率； 2）采用数据旁路技术，这种方法效率高但控制复杂。
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， 从而激活这条控制信号线，对执行部件实施控 制。
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
ADD、STA、JMP、 NOP、CLA
T2
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） • • • •
数据通路图
RD/WR
LDDR
LDIR
PC+1
LDPC LDAR
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。
计算机组成原理硬布线控制器课件
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，
提高系统的智能化水平。
THANKS
感谢您的观看
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，不 易更改。
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
硬布线控制器的行为是确定的， 不受软件行为的影响，因此具
有很好的可预测性。
高效能
硬布线控制器能够高效地处理 各种复杂的控制信号，使得计 算机系统能够高效地运行。
缺点
灵活性差
硬布线控制器的行为在设计和 制造时就已经确定，不易更改，
因此灵活性较差。
维护困难
硬布线控制器的设计和制造过 程较为复杂，一旦出现故障， 维护和修复的难度较大。
硬布线控制器的作用
01
02
03
控制指令执行
硬布线控制器负责控制指 令的执行顺序，确保指令 按照正确的顺序和时间进 行。
时序产生
硬布线控制器负责产生计 算机系统所需的时序信号， 如时钟信号等。
输入输出控制
硬布线控制器还负责控制 计算机系统的输入输出操 作，如数据读写等。
硬布线控制器与微程序控制器的比较
状态寄存器
功能
存储机器的当前状态，如中断状态、 操作状态等。
特点
硬布线控制器设计与调试 课程设计..
设计题目：硬布线控制器设计与调试课程名称：计算机组成原理课程设计任课教师：黄岚班级：计算机141学号：1408010112姓名：目录一、课程设计简述： (3)1.教学目的： (3)2.课设任务： (3)3.实验设备简介： (3)3.1、TEC4-A计算机组成原理实验系统[1] (3)3.2、万用表 (5)3.3、PC机 (5)二、总体设计思路： (5)1.指令系统： (5)2.数据通路： (6)3.硬布线控制器的设计原理： (7)三、设计与调试方案： (7)1.设计步骤： (7)1.1.根据数据通路得出指令周期流程图 (7)1.2.根据指令流程图将微信号的输出条件列出： (10)1.3.根据微信号的输出条件写用ABEL语言表示的布尔表达式： (11)2.调试步骤： (14)四、验证性实验： (14)1.课程设计要求的基础实验： (14)预置寄存器及存储单元内容： (14)程序代码： (14)执行结果： (15)2.自备的检验性实验： (15)预置寄存器及存储单元内容： (15)程序代码： (15)执行结果： (15)五、课程设计中遇到的问题及体会： (16)参考文献： (16)硬布线控制器的设计与调试课程设计报告一、课程设计简述：1.教学目的：1)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，特别是对硬布线控制器的认识。
2)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。
3)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。
2.课设任务：1)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。
2)根据设计图纸，在通用实验台上进行组装，并调试成功。
3)在组装调试成功的基础上，整理出设计图纸和其他文件，包括：A.总框图（数据通路图）；B.硬布线控制器逻辑模块图；C.模块ABEL语言源程序（如果有的话）；D.硬布线控制流程图；E.元件排列图；F.设计说明书；G.调试小结。
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)
单总线三级时序cpu实验内容
单总线三级时序cpu实验内容
单总线三级时序CPU实验内容主要包括以下几个步骤：
1. MIPS指令译码器设计：利用比较器等功能模块将32位MIPS指令字译
码生成LW、SW、BEQ、SLT、ADDI、OtherInstr等指令译码信号。
2. 时序发生器设计：时序发生器包括状态机和输出函数两部分，状态机负责现态与次态的转换，输出函数根据当前状态生成状态周期电位和节拍周期电位。
3. 状态寄存器设计：状态寄存器应设置为下降沿，状态寄存器Q端为现态
输出，D端接受来自状态机的次态。
4. 电路设计：利用数字逻辑电路相关知识设计定长指令周期的三级时序系统。
在Logisim中利用组合逻辑电路分析功能填写真值表，使用表达式进行电路分析，也可以直接在Logisim中设计组合逻辑电路。
5. 电路测试：测试时序发生器的功能是否正常，如果测试出错，可以通过比较ControlBus找出具体哪行出错。
以上内容仅供参考，建议查阅实验指导书或咨询专业人士获取更准确的信息。
时序逻辑电路的设计步骤
时序逻辑电路的设计步骤时序逻辑电路的设计步骤引言:时序逻辑电路是数字电路中重要的一种类型，它涵盖了许多应用领域，如计算机、通信和控制系统等。
时序逻辑电路的设计是实现特定功能的关键步骤。
本文将介绍时序逻辑电路设计的基本步骤，以及其中涉及到的关键概念和技术。
第一部分：概述时序逻辑电路1.1 定义和特点时序逻辑电路是根据输入信号的时序和状态变化来确定输出信号的电路。
与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路包含了时钟信号和存储元件，能够存储和处理信息。
其特点是具有状态和记忆能力。
1.2 应用领域时序逻辑电路广泛应用于计算机寄存器、时钟控制、状态机和数字通信系统等领域。
它们能够处理和控制复杂的信息流，使得系统在特定的时间序列下按照规定的方式运行。
第二部分：时序逻辑电路设计的步骤2.1 确定功能需求时序逻辑电路设计的第一步是明确功能需求。
根据系统要实现的功能，确定输入和输出信号的类型和规格，以及所需的时钟频率等。
2.2 分析和建模根据功能需求，对系统进行功能分析和建模。
将系统划分为子模块，并确定各个子模块之间的关系。
基于需求和功能模型，建立状态图或状态表，定义初始状态和状态转移条件。
2.3 设计逻辑电路根据分析和建模的结果，设计逻辑电路的电路图。
采用适当的逻辑门、触发器和时钟信号等元件，实现各个子模块之间的逻辑关系和状态转移。
2.4 进行时序分析对设计完成的逻辑电路进行时序分析。
验证逻辑电路的正确性，确保在不同的输入组合和时钟条件下，电路能够按照预期的方式进行状态转移，并满足系统的时序要求。
2.5 电路实现和验证将逻辑电路的设计转化为实际的硬件电路。
选择适当的集成电路器件，并进行电路布局和布线。
通过仿真和实验验证电路的功能和性能。
2.6 优化和调试对实际实现的电路进行优化和调试。
如果发现电路存在问题或性能不满足要求，需要进行相应的调整和改进，直到电路能够正常运行。
第三部分：总结和观点时序逻辑电路的设计步骤可以总结为确定功能需求、分析和建模、设计逻辑电路、进行时序分析、电路实现和验证，以及优化和调试。
计算机组成原理第六章
指令周期的基本概念
节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时 间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间的一 次数据传送等。
不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。 一个机器周期中，包含若干个时钟周期（节拍脉冲
或T脉冲）。 CPU周期规定，不同的计算机中规定不同
2. 每条指令的指令周期不同
➢译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控 制信号提供给时序控制信号形成部件。
机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路
➢由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的 时钟脉冲
时序控制信号形成部件
➢时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真 正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供 的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功 能部件所反馈的状态及条件综合形成的。
2. 微操作：是微命令的操作过程。
– 微命令和微操作是一一对应的。 – 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。 – 微操作是执行部件中最基本的操作。
由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥：
1. 互斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的 微操作。可以编码
2. 相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操 作。必须各占一位
联合控制方式
– 大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采 用异步方式
– 机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固 定（微程序控制器采用）
微程序控制原理
1. 微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作 微命令，它是构成控制序列的最小单位。
– 例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉 冲等。
读写时序信号的译码逻辑表达式
硬布线控制器的设计
课 程 设 计课程设计任务书 2015～2016学年第 1 学期学生姓名： 张祥专业班级： 计科二班指导教师： 杨斐 工作部门： 计算机学院一、课程设计题目 硬布线控制器的设计二、课程设计内容（含技术指标）1．利用QUARTUS 软件设计一个小型CPU 中的硬布线控制器。
总体框图参考下图：操作控制信号格式：执行单元．．．．总体框图如下：（不必设计）教 学 院 计算机学院课程名称 计算机组成原理课程设计题 目 硬布线控制器的设计专 业 计算机科学与技术班 级 二班 姓 名 同组人员 指导教师 杨 斐 2015 年 1 月 5 日该CPU的指令系统包含8条机器指令，分别为ADD、SUB、INC 、AND、OR 、2. 写出每一个操作控制信号的逻辑代数表达式，化简并设计电路。
3. 每输入一条机器指令代码打入IR中，由硬布线控制器得到14位操作控制信号，在发光二极管上显示每一位的值。
三、进度安排1.2015年12月14日，课题讲解，布置任务2.2015年12月15-17日，分析、讨论、进行各子模块的设计设计3.2015年12月18-24日，完成各模块联调，进行测试4.2015年12月25日，成果验收，进行答辩四、基本要求1.能够熟练掌握计算机中硬布线控制器的工作原理及特点；2.掌握硬件描述语言VHDL及原理图设计方法；3.熟练掌握Quartus II软件平台；4.各小组按模块分工，每人独立完成自己负责的模块；5.合作完成最终的硬件下载及调试；6.独立撰写符合要求的课程设计报告。
目录一、概述 ........................................................... 错误!未定义书签。
1.1课程设计的目的 .................................... 错误!未定义书签。
1.2课程设计的要求 .................................... 错误!未定义书签。
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
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C1微操作控制信号结果反馈信息CnSKIPTJ ·····硬布线控制器（组合逻辑网络）ispLSI1032E-70LJ84指令译码模块节拍电位/节拍脉冲发生器指令寄存器W1W4 T1 T1启动停止时钟复位B1 Bn硬布线控制器结构方框图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ALUDR1DR2MUX1MUX2RFERM1M2S2S1S0T4RS1、RS0WR1、WR0RD1、RD0WRD(T2)SW_BUS#LDER(T4)AR2MUX3AR1RAM数据端口指令端口CERCEL#LRW(T3)LDAR2(T2)M3LDAR1(T4)AR1_INCIARIAR_BUS#LDIARPCALU2R4MUX4LDR4(T2)M4IRLDIR(T4)RS1、RS0控制器INSDBUSC控制信LDPC(T4)RD1、RD0WR1、WR0..LDDR2(T3)DBUSDBUSLDDR1(T3)RS_BUS#ALU_BUSSW0— SW7B 端口A 端口PC_ADDA 端口B 端口PC_INC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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三级时序硬布线控制器设计的基本步骤
引言
在数字电路设计中，时序硬布线控制器是十分重要的组成部分。
它负
责协调各个部件的工作时序，确保电路的正确运行。
本文将介绍三级时序硬布线控制器的设计基本步骤，帮助读者理解设计过程并掌握实践技巧。
步骤一：需求分析
在开始设计之前，我们首先需要明确系统的需求。
这包括输入输出信
号的特性、时序要求以及控制器的功能等。
只有充分了解需求，才能进行后续的设计工作。
步骤二：状态图设计
根据需求分析的结果，我们可以开始设计状态图。
状态图是表示控制
器不同状态及其转换关系的图形化表示。
通过绘制状态图，我们可以清晰地了解控制器的工作流程，并且能够更好地进行后续的设计工作。
步骤三：状态转移表设计
在完成状态图设计后，我们需要进一步将状态转换关系表示为状态转
移表。
状态转移表是一个表格，列出了控制器在不同状态下，根据输入信号的不同，将转移到哪个状态的规则。
通过设计状态转移表，我们可以更加系统地指导后续的电路设计。
步骤四：逻辑电路设计
在掌握了状态转移表之后，我们开始进行逻辑电路的设计。
根据转移
规则，我们可以设计出组成控制器的逻辑电路，并确保电路满足时序要求。
在设计过程中，我们可以使用逻辑门，触发器等基本模块来实现逻辑功能。
步骤五：时序验证
完成逻辑电路设计后，我们需要进行时序验证。
这一步骤是确保电路
可以按照预期工作的重要环节。
通过使用时序仿真工具，我们可以模拟和验证电路的时序行为，并进行必要的调整和优化。
步骤六：电路实现
在完成时序验证后，我们可以开始进行电路的实现。
这包括选择适合的器件来实现设计的逻辑电路，并进行布线和连接。
在这一步骤中，我们需要对时序电路的布线进行仔细的规划和设计，以确保电路的稳定性和性能。
步骤七：功能验证
在电路实现后，我们需要对整个控制器进行功能验证。
通过对控制器进行输入输出测试，我们可以验证控制器的工作是否符合预期，并进行必要的调整和修正。
结论
三级时序硬布线控制器设计的基本步骤包括需求分析、状态图设计、状态转移表设计、逻辑电路设计、时序验证、电路实现和功能验证。
这些步骤相互关联，需要严格按照顺序进行。
通过充分了解需求，精确设计各个模块，经过验证和实现，我们可以设计出高效、稳定的三级时序硬布线控制器。