多功能流水
计算机系统结构 第 3 章 流水线技术_标量
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非线性流水线
反馈回路
• 流水线的流动顺序： • S1→S2 →S3 →S2 →S3 →S4 →S1 →S2
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1 s1 s2 s3 s4 1
2 1
3
4 1
5
6
7 1
8 1
9
1
1 1
• 为了防止两条或两条以上的指令对同一功能段的 争用，非线性流水线需要对输入流水线的指令进 行比较复杂的控制。 • 非线性流水线通常使用预约表来进行分析。
i 2
n
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7
执行时间不等时的一次重叠工作方式
分析 k
执行 k 分析 k+1 执行 k+1 分析 k+2 执行 k+2 分析 k+3 执行 k+3
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3. 先行控制方式
• 先行控制方式的基本思想: • 通过设置先行读数栈,先行操作栈,后行写数 栈等,使分析部件和执行部件能够分别连续 不断地分析和执行指令。
1 t s t l
• 若每个流水段的延迟时间不等，则最高工作频率 为：
1
max t Si t l
n i 1
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流水技术的特点
• ⑴ 一条流水线通常由若干个有联系的流水段组成。 • 流水线中的段数也称为 “流水深度” 。 • ⑵ 每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种 加工。 • ⑶ 各流水段所需时间应尽量相等，以减少流水线 的瓶颈影响。 • ⑷ 流水线工作阶段可分为建立(装入)、满载和排 空三个阶段。 • ⑸在理想情况下，当流水线充满后，每隔Δ t时间 将会有一个结果流出流水线。
若有一静态多功能流水线分为6段.ppt
5.6 已知某单功能非线性流水线的预约表如图， 要求：
（1）列出禁止表F和冲突向量C；
（2）画出该流水线状态图，确定其最小平 均延迟及此时的调度方案？P92
（3）当按此流水调度方案共输入8个任务时， 则其实际吞吐率为多少？
时间t
段S t1 t2 t3 t4
t5 t6
间隔拍数
* S1
* 5-1=4
* S2
5.7 考虑3条功能流水线f1、f2和f3，它们的预约 表如图。
（1）各当自独的立最使小用平f1、均f等2和待f3时流间水为线多时少，？它P们92 （2）若将3条流水线链成线性的串联形式，
则此时的最小平均等待时间为多少？ 最大吞吐率为多少？
f1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 f1 t1 t2 t3 t4 f1 t1 t2 t3 t4 t5
S1 *
* S1 *
* S1 *
*
S2
**
S2
* * S2
*
*
S3
*
*
S3
*
S3
*
5.8 阻碍流水线畅通流水的主要障碍是哪三种 相关，叙述在何种情况下会发生这些相关。P83
（1） 资源相关 多条指令进入流水线后在同一机器
周期内争用同一功能部件所发生的冲突。
（2） 数据相关 流水线中各指令的重叠使原来对操
a1+b1 a2 +b2
(a1+b1)(a2 +b2) (a3+b3)
E=
n个任务占用的时空区 m段总的时空区
=(3*6*△t+2*8△t)/(6*26*△t)
=17/78
TP=n/T=(3+2)/26△t =5/26△t
加法乘法动态多功能流水线调度
实验报告学生姓名：学号：一、实验室名称：计算机学院计算中心二、实验项目名称：加法乘法动态多功能流水线调度三、实验原理：把加法和乘法流水线分开，完成乘法流水线后再进行加法流水线。
把一个乘法任务分成三个部分，然后同时执行多个任务以模拟指令的流水线调度。
三个步骤每同时完成一次任务执行总时间就加一，直到最后一个操作数进入流水线，此时加法流水线开始工作。
把一个加法任务分成四个部分，然后同时执行多个任务以模拟指令的流水线调度。
四个步骤每同时完成一次任务执行总时间就加一，直到没有任务时停止，看此时的时间与理论上的流水线调度时间的差距来判别程序是否成功模拟了流水线指令的调度。
四、实验目的：1、掌握加法乘法动态双功能指令调度的方式，2、理解静态多功能流水线和动态多功能流水线在调度模式上的区别，3、了解指令并行度上限的概念。
五、实验内容：（一）给定要执行的任务和执行该任务的流水线结构流水线的调度方式能够提高任务的并行度，但是针对不同的任务，由于相关的存在，其并行度的提高是不一致的。
在开始程序设计前，我们首先要给定所要完成的任务：这里我们使用矩阵点积运算任务，∑=n1i aibi 。
n 的数值可以变化，通过变换n 的值用同一程序进行多次模拟。
给定流水线：流水线分五个步骤，每个步骤的执行时间均为一个单位时间；其中1-2-3-5组成加法流水线，1-4-5组成乘法流水线。
加法和乘法可以同时执行 （二）对任务进行分解动态多功能流水线不同于静态多功能流水线，流水线中同时只能有多种种操作的指令，因此不能将其划分为两个相互独立的加法流水线和乘法流水线。
我们考虑设计一个加法乘法混合运算器，加法4步，乘法三步，在送入源数据时应指明执行哪种运算。
（三）任务分解程序模拟的思路在实验二的基础上。
我们对设计进行变更。
加法乘法有一个类实现，称之为加乘法类。
乘法的数据源为两个队列，加法的数据源为一个队列。
加法器的源数据队列初始为空，乘法器的源数据队列初始分别放入A1－An 和B1－Bn 。
计算机体系结构名词解释
层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
指令集的实现与流水线结构
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Computer Architecture Spring 2016
算术流水线
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4、流水线需要有“填充时间”（第一个任务流出结果所需的时间）， 在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出 一个结果；
5、流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供 任务，流水线的效率才能充分发挥。
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部件级、处理机级及处理机间流水线
所谓部件级流水线又叫运算操作流水线（Arithmetic pipelines），它是把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各 种数据类型进行流水操作。
所谓处理机级流水线，又叫指令流水线（Instruction pipelines），它是把解释指令的过程按照流水方式处理。
所谓处理机间流水线，又叫宏流水线（Macro pipelines）。
段空 号间
8 7 6
浮点加 1 2 3 … … n-1 n
定点乘 一
一二 一二三
5
1 2 3 … … n-1 n
4
1 2 3 … … n-1 n
3
1 2 3 … … n-1 n
2
1 2 3 … … n-1 n
1 1 2 3 … … n-1 n
一二三四
时间
静态流水线 11
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组成原理名词解释
组成原理名词解释计算机实现:计算机实现是指计算机组成的物理实现。
它包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,信号传输,器件、模块、插件、底板的划分与连接,专用器件的设计,电源、冷却、装配等技术以及有关的制造技术和工艺等。
浮点数的误差:浮点数集 F 的误差可以这样定义, 令 N 是浮点数集 F 内的任一给定实数, 而 M 是 F 中最接近 N , 且被用来代替 N 的浮点数, 则定义绝对表数误差为:相对误差 (Relative Representation Rrror)为:浮点数表示方式的效率:浮点数表示方式的效率定义为:存储系统:两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统,这就是存储系统。
虚拟存储系统:虚拟存储系统由主存储器与联机的外部存储器(目前一般为磁盘存储器)构成,采用硬件与软件相结合的方法来调度。
操作系统用内存管理部件管理虚存,实现用户透明的进程空间的 32位寻址。
并行存储器:并行存储器设置多个独立的存储器,让它们并行工作,在一个存储周期内可以访问到多个数据,提高存储器速度。
Cache 系统:Cache 系统是在主板或者 CPU 内部集成一块高速访问存储器,并与内存联合构成缓存系统。
缓存系统的原理类似于虚拟存储系统。
一般处理机中有一级 Cache ,它与主存储器构成一个两级的存储系统。
一些高性能处理机都采用两级 Cache 。
其中,第一级在 CPU 内部,它的容量比较小,速度很快。
第二级在主扳上,容量比较大,速度比第一级要低 5倍左右。
也有部分高性能处理机采用三级 Cache 。
前两级都在 CPU 内部。
全相联映象方式:全相联映象方式是指主存中的任意一块可以映象到 Cache 中的任意一块的位置上。
直接映象方式:直接映象方式是一种最简单,也是最直接的方法。
主存中一块只能映象到Cache 的一个特定的块中。
组相联映象:组相联方式是目前在 Cache 中用得比较多的一种地址映象和变换方式。
6计算机组成原理第6章流水线原理
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
6.4 线性流水线性能分析
衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。
6.4.1 吞吐率TP
吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数， 可以用输入任务数或输出任务数表示。
TP n Tk
其中k表示流水线划分的段数。
当满足 ti 条t 件时，有 Tk (n k 1) t。
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
吉林大学计算机系统结构题库第三章
第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。
简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。
2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。
3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。
流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。
4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。
5.列举3种相关。
（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。
6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。
7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。
计算机组成与结构第9章 流水线技术
9.3.2
1.
向量处理机的指令系统一般应包含有向量型和标量型两 类指令。 向量型运算类指令一般又可以有如下几种：
向量V1运算得向量V2， 如V2=SIN(V1)；
n
向量V运算得标量S， 如S Vi ；
i 1
向量V1与向量V2运算得向量V3，如V3=V1∧V2；
向量V1与标量S运算得向量V2， 如V2=S*V1。
从时—空图分析实际的吞吐率
2. 效率
流水线的效率是指流水线中的设备实际使用时间占整个运
行时间之比，也称流水线设备的时间利用率。由于流水线存 在有建立时间和排空时间(最后一个任务流入到流出的时间)， 在连续完成n个任务的时间里，各段并不总是满负荷工作的。
如果是线性流水线，且各段经过时间相同，如图5.22那样，
B一次相关与二次相关
B一次、 二次相关的推后处理
B相关专用通路法
9.2 流 水 方 式
9.2.1 基本概念
1. 流水是重叠的引申
指令分解为“分析”与“执行”子过程
流水处理
流水和重叠的区别
“一次重叠”把指令的解释过程分解成“分析”和“执行”两个子过 程，流水则分成更多个子过程。 “一次重叠”同时解释两条指令，流水可同时解释多条指令。 流水每个子过程经过的时间Δt越小，流水线的最大吞吐率就越高
则在T时间里，流水线各段的效率都相同，均为η0，即
1
2
m
nt0 T
mnn10
整个流水线的效率
12 m m0 mnt0
m
m mT
式中，分母m·T是时—空图中m个段和流水总时间T所围成的 总面积，分子m·nΔt0则是时—空图中n个任务实际占用的总面
积。因此，从时—空图上看，效率实际上就是n个任务占 用的时—空区面积和m个段总的时—空区面积之比。显
多功能多路流水灯控制电路设计仿真及制作
附件1：学号：30课程设计题目多功能多路流水灯控制电路的设计仿真及制作学院信息工程学院专业电子信息工程班级电信1201姓名鲁玲指导教师孟哲2014年6月20日课程设计任务书学生姓名：鲁玲专业班级：电信1201指导教师：孟哲工作单位：信息工程学院题目: 多功能多路流水灯控制电路的设计仿真及制作初始条件：集成译码器、计数器、555定时器、移位寄存器、LED和必要的门电路或其他器件。
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周内完成对数字频率计的设计、仿真、装配及调试。
2、技术要求：①设计一个具有16路（或矩阵）LED不同显示方式或显示图形的控制电路。
②不同显示方式的控制可以是自动结合按键手控等。
③确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：1）第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。
2）第3-4天，方案选择和电路设计仿真。
3）第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。
4）第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日前言21 设计方案31.1 设计意义31.2 设计目的31.3 原理图及工作原理32 电路板焊接技术介绍42.1 焊接操作要领42.2 注意事项52.3.焊接调试63 电路板的安装及制作63.1 确定电路板整体布线图63.2 555振荡电路63.3 74LS191计数部分73.4 74LS138译码电路和LED显示部分73.5 5V直流稳压电源电路74 电路板的调试84.1 调试方法和步骤84.2 出现的问题及处理方法85 电路实拍图106 总结及心得体会127 元件清单138 参考文献14附件15随着电子技术的快速发展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能流水彩灯凭着简易，高效，稳定等特点出现在我们日常生活中的各种场所，店铺门面装饰、家居装潢、城市墙壁更是随处可见。
多功能流水灯
摘要在日常生活中，我们经常看到各种各样的霓虹灯，其中也包括本电路设计的多功能流水灯，这种灯主要利用数字电子集成芯片，尤其是利用计数器，触发器，本设计把CD4510可预置可逆计数器产生的数字信号给CD4028译码实现流水灯的正、逆流水功能。
再综合运用CD4013锁存和NE555产生多谐震荡实现流水灯的正、逆流水和手控、自控功能。
本设计方案中利用NE555构成多谐振荡产生连续脉冲作为CD4510的脉冲源，通过分频器改变时钟脉冲的频率，从而改变流速，再通过CD4013与CD4510配合完成正逆流水功能，最终完成多功能流水的作用。
在确定方案后，通过查阅相关专业书籍，以及上网查询相关资料和指导老师的帮助，同时根据实际情况进行改进，最终完成了电路的设计。
在这次设计过程中，采用了模块设计，使得电路能更简洁，在排除问题上也可以很快的找到错误的根源。
根据本方案设计的电路，找好相关元器件和电路板，最后完成电路的制作。
关键字：连续脉冲流水灯多功能触发器前言随着电子技术的快速发展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能流水灯凭着简易，高效，稳定等特点在生活和工业上得到了广泛的应用。
在各种娱乐场所、店铺门面装饰、家居装潢、城市墙壁更是随处可见，与此同时，还有一些城市采用不同的流水灯打造属于自己的城市文明，塑造自己的城市魅力。
目前，多功能流水灯的种类已有数十种，如广告装潢、家居装饰、店铺招牌灯等等。
所以，多功能流水灯的设计具有相当的代表性。
多功能流水灯，就是要具有一定的变化规律的功能，主要考察了数字电路中的计数器、译码器、多谐振荡等，多谐振荡电路给其它的电路提供脉冲源，设计过程中需要了解相关芯片（NE555、CD4017、CD4510、CD4028）的具体功能，引脚图，真值表，认真布局，在连接过程中更要仔细认真。
第一章设计要求及系统组成1.1 设计要求（1）设计一个彩灯流水控制电路，使其能够产生一个控制信号控制彩灯实现灯光变换的功能。
流水线分类
线性流水线与非线性流水线按照流水线的各个流水段之间是否有反馈信号，可以把流水线分为线性流水线和非线性流水线两类。
线性流水线（Linear Pipelining）是将流水线的各段逐个串接起来。
输入数据从流水线的一端进入，从另一端输出。
数据在流水线中的各个流水段流过时，每一个流水段都流过一次，而且仅仅流过一次。
一条线性流水线通常只完成一种固定的功能。
在现代计算机系统中，线性流水线已经被非常广泛地应用于指令执行过程、各种算术运算操作、存储器访问操作等。
在上一节中介绍的流水线中，如图5.13所示的指令流水线，图5.14所示的浮点加法器流水线等都属于线性流水线。
非线性流水线（Nonlinear Pipelining）在流水线的各个流水段之间除了有串行的连接之外，还可以有前馈和反馈连接。
图5.17是一种简单的非线性流水线。
流水线的流水段S2的输出可能直接传送给流水段S3，也可能反馈到本流水段的输入。
图5.17 一种简单的非线性流水线在图5.17中，虽然总共只有三个流水段，但是，输入任务经过流水线到达输出，往往不只是经过三个时钟周期；其中，流水段S2可能要被多次调用，这也是非线性流水线与线性流水线的一个主要区别。
因此，在非线性流水线中，只用图5.17这样一种连接图并不能表示出一个任务在流水线中实际流动的过程。
表示非线性流水线的工作情况除了需要流水线的连接图之外，通常还需要一张“预约表”，用两者共同来表示流水线的工作情况。
在预约表中可以很清楚地表示出反馈回路的使用次数。
例如，图5.18表示图5.17中反馈回路仅使用一次的预约表，图中用“×”表示这一个流水段在相应的这一段时间内有效，即任务经过了这一个流水段。
图5.18 非线性流水线的预约表一条非线性流水线可以对应有很多张预约表，同样，一张预约表实际上仅表示了一条非线性流水线的一种工作方式。
线性流水线实际上也有预约表，只不过它的预约表是确定的。
首先，预约表的水平方向与垂直方向的格数一定是相等，即组成一个正方形。
一种多功能流水式电解设备[发明专利]
![一种多功能流水式电解设备[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3429b5e86e1aff00bed5b9f3f90f76c661374c3f.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510270727.6(22)申请日 2015.05.26C02F 1/461(2006.01)(71)申请人北京建元天地环保科技有限公司地址100101 北京市朝阳区大屯里317号金泉时代3单元1011(72)发明人李文秀 努民(54)发明名称一种多功能流水式电解设备(57)摘要本发明公开一种多功能流水式电解设备，该电解设备是由多功能流水式电解槽、被处理液供液装置、电解质液供液装置、被处理液回流装置、电解质液回流装置、被处理液储存装置、电解质液储存装置、气体排放和回收装置、传感器液面控制装置、电源装置、供电控制装置、电极切换装置和电解设备控制装置组成。
本发明多功能流水式电解设备具有很高的液体处理能力，在不同的条件下，可自由选择第一液和第二液、处理膜的种类、外侧电极和内侧电极的极性、极性瞬间切换的有无、处理时间的长短等，实现一机多用，对多种多样的溶液进行处理，完成高浓缩强酸性机能水或高浓缩强碱性机能水的生产、液体的无害化处理、脱盐处理等。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书9页 附图1页CN 105621539 A 2016.06.01C N 105621539A1.一种多功能流水式电解设备，其特征在于，电解设备是由多功能流水式电解槽、被处理液供液装置、电解质液供液装置、被处理液回流装置、电解质液回流装置、被处理液储存装置、电解质液储存装置、气体排放和回收装置、传感器液面控制装置、电源装置、供电控制装置、电极切换装置和电解设备控制装置组成。
2.根据权利1中的多功能流水式电解设备，其特征在于，所含结构中多功能流水式电解槽是由外槽、附有复数电极的板状内侧电极、附有复数电极的板状外侧电极、内槽、隔断板、第一孔和第二孔组成。
3.根据权利1中的多功能流水式电解设备，其特征在于，所含结构中电极切换装置可切换电极极性。
多功能流水灯设计毕业设计
多功能流水灯设计毕业设计毕业设计：多功能流水灯设计一、引言多功能流水灯是一种常见的电子灯具，其特点是能够根据预定的规律产生流动的灯光效果。
在本毕业设计中，我们将设计一款具有多种功能的流水灯，包括不同的灯光模式切换、亮度调节等功能。
本设计将以STM32微控制器作为核心控制器，并通过外部电路和软件编程实现多种流水灯效果。
二、设计方案1.硬件设计本设计中，我们将使用STM32微控制器作为核心控制器，具有丰富的GPIO引脚和定时器功能。
通过连续改变GPIO引脚的电平状态，我们可以实现流水灯的亮灭效果。
同时，我们还将使用一些外部元件，如电阻、电容和三极管等，来实现灯光的亮度调节和控制。
2.软件设计本设计将使用Keil C编译环境进行软件开发。
首先，我们需要编写相关的GPIO和定时器驱动程序，实现对流水灯的控制。
其次，我们还需要编写额外的模式切换和亮度调节功能的程序，通过按键或旋钮等输入方式来改变流水灯的工作模式和亮度。
三、具体实现1.灯光模式切换功能我们将设计一个菜单界面，通过按键输入来切换不同的流水灯工作模式。
在菜单界面中，用户可以选择要显示的流水灯模式，如单色流水灯、多色流水灯等。
通过编写相应的程序代码，我们可以通过按键触发事件来实现模式的切换。
2.亮度调节功能我们将使用旋钮或调光器等输入方式来实现对流水灯亮度的调节功能。
通过读取旋钮当前的位置或调节器的电阻值，我们可以确定亮度的大小。
然后，我们将通过改变PWM信号的占空比来实现对流水灯亮度的控制。
3.故障检测和保护功能为了保证流水灯在长时间使用过程中的稳定性和安全性，我们还将设计故障检测和保护功能。
例如，我们可以通过检测电流和电压等参数来判断灯管是否损坏，并及时发出警报提醒用户更换。
同时，我们还可以设置过压、过流和过载保护功能，以防止灯具因异常情况而损坏。
四、测试与验证在完成硬件和软件设计后，我们将进行测试和验证。
首先，我们将验证流水灯的各项功能是否正常工作，包括模式切换、亮度调节等。
计算机体系结构复习,考点
1.计算机系统结构的定义：计算机系统结构概念的实质是确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。
2.计算机组成额计算机实现的二者关系：计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。
计算机实现指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。
3.系列机的软件兼容方式4种：向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。
向上（下）兼容指的是按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比他高（低）档的计算机。
向后（前）兼容指的按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。
向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征。
兼容机：它是指由不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
4.计算机系统设计的4个常用定量原理：①以经常性事件为重点：这是计算机设计中最重要、使用最广泛的设计原则。
②Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
Amdahl定律可用来计算当对计算机系统中的某个部分进行改进后，系统总体性能可获得多大的提高。
这是通过加速比这个指标来衡量的。
= =，这个加速比依赖于两个因素：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总执行时间中的比例：可改进部分改进以后性能提高的倍数。
③CPU性能公式：CPU 时间=执行程序所需的时钟周期数X时钟周期时间，引入新参数CPI（每条指令执行的平均时钟周期数）CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC IC：所执行的指令条数。
程序执行的CPU 时间可以写成CPU时间= IC ×CPI ×时钟周期时间。
第三章 流水线技术
第3章流水线技术3.1解释下列术语流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。
单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。
静态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。
当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。
动态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。
它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
部件级流水线：把处理机中的部件进行分段，再把这些部件分段相互连接而成。
它使得运算操作能够按流水方式进行。
这种流水线也称为运算操作流水线。
处理机级流水线：又称指令流水线。
它是把指令的执行过程按照流水方式进行处理，即把一条指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立的功能部件中执行。
处理机间流水线：又称为宏流水线。
它是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。
前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后一个处理机的输入。
线性流水线：指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。
数据通过流水线中的各段时，每一个段最多只流过一次。
非线性流水线：指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。
顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。
乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。
这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。
吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。
流水线的加速比：使用顺序处理方式处理一批任务所用的时间与按流水处理方式处理同一批任务所用的时间之比。
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课程设计说明书课程设计名称：数字逻辑课程设计题目：多功能流水灯学院名称：信息工程学院专业：计算机科学与技术班级： 110451 学号： 11045106 姓名：曹海潮评分：教师：20 13 年 6 月 16 日数字逻辑课程设计任务书20 11 －20 12 学年第二学期第 15 周－ 16 周题目多功能流水灯内容及要求〖基本要求〗1.设计一个彩灯控制电路，能使彩灯的流向可以变化。
2.实现彩灯流速可以改变；3.彩灯可以间歇流动；〖提高要求〗1.按下开关，在彩灯频率比较低的情况下，开关可使彩灯依次暂停。
2.实现流水灯的显示图案循环的控制电路，如间隔一盏灯实现循环，单向流水。
进度安排：1、根据任务要求，查阅相关资料，完成设计的前期工作；（两天）2、根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算；（三天）3、库房领取元器件，联接电路，完成电路调试；（五天）4、检查完毕后，撰写实验报告。
学生姓名：曹海潮指导时间：2013年6月3日到2013年6月13日指导地点：综合楼509室任务下达2013年6月3日任务完成2013 年6月13日考核方式 1.评阅□ 2.答辩□ 3.实际操作√ 4.其它□指导教师彭嵩系（部）主任康密军注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要这次设计的多功能流水灯是CC4510芯片,CD4013芯片，CC4028芯片NE555芯片的集成电路，是CC4510芯片,CD4013芯片，CC4028芯片和NE555芯片的综合运用。
该流水灯的功能是能够根据需要实现自动或手动控制彩灯的正逆流向。
本次设计的方案中利用555定时电路组成一个多写振荡器，发出脉冲，作为计数器的时钟脉冲源。
通过分频器改变时钟脉冲的频率，从而改变流速；CC4510计数器和CC4013触发器进行计数和控制流向实现正逆向流水，配合二极管，进而形成相应的多功能流水灯电路。
在整个课题设计的准备和调试过程中，通过与同组人的共同努力，顺利地完成了课程的设计和制作。
准备工作主要是收集信息，通过互联网查找一些相关的资料，并向学长虚心学习一些经验。
调试过程中发现了一些问题，通过共同的分析研究得到的解决，此次的课程设计巩固了前阶段所学的理论知识，增强了动手时间能力。
在这次设计过程中，采用了模块设计，使得电路能更简洁，在排除障碍过程中也能很好的找到问题的根源。
根据原理图，领好元器件，排好版后，连接线路。
关键字：多功能，流水，正逆目录前言 (1)第一章设计要求及系统组成 (2)1.1要求设计 (2)1.2系统组成 (2)第二章系统设计方案选择 (3)2.1方案一 (3)2.2方案二 (4)2.3方案三 (4)第三章设计方案及工作原理 (5)3.1时钟信号电路 (5)3.2计数译码电路 (7)3.3控制电路 (8)3.4总体电路 (9)第四章实验，调试及测试结果与分析 (11)结论 (12)参考文献 (13)附录一芯片管脚功能图 (14)附录二元件清单 (18)附录三电路原理总图 (19)前言随着电子技术的快速发展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能流水灯凭着简易，高效，稳定等特点得到普遍的应用。
在各种娱乐场所、店铺门面装饰、家居装潢、城市墙壁更是随处可见，与此同时，还有一些城市采用不同的流水灯打造属于自己的城市文明，塑造自己的城市魅力。
目前，多功能流水灯的种类已有数十种，如家居装饰灯、店铺招牌灯等等。
所以，多功能流水灯的设计具有相当的代表性。
多功能流水灯，就是要具有一定的变化各种图案的功能，主要考察了数字电路中一些编码译码、计数器原理，555定时器构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲，设计过程中需要了解相关芯片（NE555、CC4510）的具体功能，引脚图，真值表，认真布局，在连接过程中更要细致耐心。
现在在国内外，彩灯流水控制技术已经相当成熟。
但是这一点并不能否认我们对其进行数字逻辑课程设计。
因为其中对逻辑电路进行设计分析的思路仍然值得我们去学习和研究。
故本次的设计课题为设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，通过可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
主要使用555定时电路、CD4510、CD4013和CD4028来实现，通过调节电阻阻值可以使实验现象更明显。
通过这次课程设计，明白了一般的电子产品的设计及制作过程的复杂，加深了对所学知识的了解和掌握了许多芯片的使用方法。
第一章设计要求及系统组成1．1 设计要求1、功能要求：设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，即在预定的时间到来时，如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等，可通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
2、工作原理：555定时电路组成一个多谐振荡器，发出脉冲，作为计数器的时钟脉冲源。
通过滑动变阻器改变阻值从而改变时钟脉冲的频率；使用CD4510加/减计数器和CD4013触发器加上一个非门进行计数和控制流向实现正逆向流水，CD4028译码器进行译码。
1．2系统组成原理框图如图1-1所示：图1-1 等功能流水灯原理框图第二章系统设计方案选择设计方案2.1 方案一：本方案是从网络上找到的一电路。
设计的多功能流水灯原理电路图如下图所示。
原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。
脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成，主要为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲。
流动速度可通过电位器RP进行调节。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
CD4017的CP端受脉冲发生器输出脉冲的控制，其输出端(Q0~Q9)将输入脉冲按输入顺序依次分配。
输出控制的脉冲，其输出控制脉冲的速度由脉冲发生器输出的脉冲频率决定。
12个电阻与CD4017的10个输出端Q0~Q9相连，当Q0~Q9依次输出控制脉冲时6个发光二极管按照接通回路的顺序依次发光，形成流动发光状态，实现正逆向流水的功能。
电源电路采用电容降压，二极管整流和稳定管稳压的供电方式，直流工作电压由稳压管的稳压值决定。
本电路所采用的电源为5V。
系统电路如图2-1所示：图2-1系统方案1电路次方案基本实现了控制彩灯的流向，通过利用中规模集成电路中可逆数器和译码器实现正、逆流水功能等，但未达到实现自控、手控等功能。
2.2方案二：原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。
在设计电路时，选用的脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。
主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过电位器RP进行调节。
由于RP的阻值较大，所以有较大的速度调节范围。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
系统电路如图2-2所示：图2-2系统方案2电路此方案不足之处是不能手控，和正，逆流水。
只是实现了基本功能。
2.3方案三：本方案是在通过与同组人的共同研讨分析及挑选下得到的一电路。
本电路通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能，基本达到设计要求。
第三章设计方案及工作原理3.1时钟信号电路：定时器由一块时基集成电路NE555和C1、C2、R1、R2等组成（其中C1为延时充电电容，C2为抗干扰隔离电容，R1、R2为延时充电电阻，而R2又为放电电阻）。
通电后，因电容C1两端电压不能突变，2脚的电压为低电平，集成块NE555的内部触发器被置位，3脚输出高电平。
同时，由于电源经电阻R1和R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高，当电位上升到VCC的2/3时，集成块NE555的内部触发器被复位，3脚的输出电压翻转为低电平。
同时集成块NE555内部的放电管导通，即7脚通过内部的放电管和1脚相通，C2上储存的电荷就通过R2、7脚放电，使6脚和2脚的电压不断下降，当电位降低到VCC的1/3时，集成块NE555的内部触发器被置位。
同时集成块NE555内部的放电管截止，7脚被悬空，电源又通过R1、R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高……如此，周而复始，形成振荡。
输出端的高电平维持时间取决于电容C2的充电时间常数，输出端的低电平维持时间取决于电容C2的放电时间常数。
由于R2≥R1，故可以认为f放≈f充，目的是减小彩灯熄亮交替的时间间隔的差异。
如用作其他情况，需要调整R1、R2、C2的参数。
综上分析，3脚始终处于高电平和低电平的二进制变化状态，故此电路又称为无稳电路。
当555定时器组成自激多谐振荡器时，输出的矩形脉冲的周期为：T=0.7*（R1+R2）*C。
高电平暂稳态的持续时间为：T1=0.7*（R1+R2）；低电平的暂稳态持续时间为：T2=0.7R2*C。
占空比：q%=R1/(R1+R2)图3-1 555组成的多谐振荡器当555定时器组成自激多谐振荡器时，输出的矩形脉冲的周期为：T=0.7*（R1+R2）*C。
高电平暂稳态的持续时间为：T1=0.7*（R1+R2）；低电平的暂稳态持续时间为：T2=0.7R2*C。
占空比：q%=R1/(R1+R2)。
本电路中，调节可变电阻R2便可改变振荡电路的频率，反映在CD4028输出端则是流动的速率。
图3-2 555工作波形图3.2计数译码电路：由CC4510计数器和CC4028译码器组成，实现20个彩灯的正逆水、间歇流水功能。
图3-3 流水计数译码电路CD4510计数器:1.具有BCD 计数功能。
2.具有清除控制功能，故多了一只清除控制端R。
清除端R 在使用上具有最高优先权，及当R=1，则Q 不论其它输入为何，其输出QDQcQBQA 必皆被清除为0，令R=0，正常计数。
其功能：Ci：进位输入端，当其为1，则clock 输入都无效，只有在Ci=0 时，clock 的正缘触发才能使计数器计数。
Co：进位输出端，平常输出都保持在1，只有在上数计数到9，或下数计数到0 时才会变为0 输出，以作为进位或借位之准备，直到下一个时序信号的正缘输入才转为1。
因此做计数器串联时，需将个位数Ci 接地，而将其Co 接到十位数计数的Ci 中。
CD4028 4线－10线译码器：CD4028 是BCD－十进制或二进制－八进制译码器，它由4 个缓冲输入端口、译码逻辑门和10 个缓冲器组成。
加至四个输入端口A0～A3的一个BCD 码在十个十进制译码器输出十个相应的顺序脉冲，输出为高电平有效。
同样，若A3＝0，加在输出口具有高驱动能力，以在高输出应用中增强直流和动态性能。
CD4028 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。