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
外
多体交叉存储器 cache 指令部件（指令 I+K+1）
内
(指令I+K) (指令I+2)
(指令I+1)
执行部件（指令I）
三、流水CPU的时空图
入
WB
超标量 流水线
IF
空间
ID
EX
WB
出
EX
ID IF
I1 I1 I2 I1 I2 I3 I1 I2 I3 I4
I2 I3 I4 I5 I3 I4 I5 I4 I5 I5
1 2
3 4 5
6 7 8 时间T
流水线的分类
(在不同的并行等级上的分类)
指令流水线(CPU内) 算术流水线(运算器内) 处理机流水线(处理机间)
四、流水线中的主要问题
资源相关：争用同一硬件资源 (R2)+(R3) →R1 (R1)-(R5) → R4 数据相关：等前面指令执行结果 (R1) (R7) → R6 控制相关：转移指令引起
三、微操作信号设计过程 （硬布线控制器设计过程）
确定系统的所有机器指令（指令系统） 画出所有机器指令流程； 找出每个信号的所有条件，加上节拍电 位和节拍脉冲，写出信号逻辑表达式； 归并整理化简表达式； 用门电路或可编程器件实现。
想一想？微程序控制器设计过程
确定系统的所有机器指令（指令系统） 画出所有机器指令流程； 按流程编写微程序； 装入控制器存储器，用测试程序进行调 试。
请阅读1，2段
5.5 硬布线控制器
基本思想：由硬件逻辑电路（门电路和触发器） 产生控制信号 设计目标：使用最少元件，取得最高操作速度 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。
一、硬布线控制器结构
C=f(I,M,T,B) 输入信号
二、指令执行流程
D1 D1 F2 F1 T1 T2 T3 T4 T5
横轴-时间，纵轴-空间
T6 T7 T8 T9
T10
W2 W1 乘3 乘2 乘1 加2 加1
取/存
I1
I2
I4 I6 I3
I3 I4 I6
I4 I6
I6 I5
I2 I2 I1 I4 I3 T2 I1 I4 I3 I6 I5 T3 I6 I5
I4 I2 I3 I5
D1 D1 F2 I2 F1 I1 T1
横轴-时间，纵轴-空间
T4 T5 T6 T7 T8 T9
T10
习题
P181，1,2,3,6,16 必会 P181，7,8,12,13, 17 思考
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。
根据硬布线控制器的基本原理，针对每个控制信号S，可以列出它的译码函数S = f( Im, Mi, Tk, Bj )其中Im是机器指令操作码译码器的输出信号，Mi是节拍信号发生器的节拍信号，Tk是时序信号发生器的时序信号，Bj是状态条件判断信号。
在TEC—4计算机组成原理实验系统中，因为时序信号Tk（T1—T4）已经直接输送给数据通路，所以译码电路不需Tk作为输入。
又因为机器指令系统比较简单，操作码只有４位，不需要专门的操作码译码器，因此Im直接就是操作码，即指令寄存器的IR4—IR7信号。
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。
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,填空题
一．填空题（每小题3分，共15分）1．存储A.__ ____并按B._ ____顺序执行，这是C.__ ____型计算机的工作原理。
2．移码表示法主要用于表示A.__ ____数的阶码E，以利于比较两个B._ ____的大小和C.__ ____操作。
3．闪速存储器能提供高性能、低功耗、高可靠性及A.__ ____能力，为现有的B.__ ___体系结构带来巨大变化，因此作为C.__ ____用于便携式电脑中。
4．微程序设计技术是利用A.__ ___方法设计B.__ ____的一门技术。
具有规整性、可维护性、C .___ ___等一系列优点。
5．衡量总线性能的重要指标是A.__ ____，它定义为总线本身所能达到的最高B.__ ____。
PCI总线的带宽可达C.__ ____。
1.A.程序 B.地址 C.冯·诺依曼2.A.浮点 B.指数 C.对阶3.A. 瞬时启动 B.存储器 C.固态盘4.A.软件 B.操作控制 C.灵活性5.A.总线带宽 B.传输速率 C.264MB / S二．二．填空题（每题3分，共15分）1 为了运算器的A. _____，采用了B. _____进位，C. _____乘除法和流水线等并行措施。
2 相联存储器不按地址而是按A. ______访问的存储器，在cache中用来存放B. ______，在虚拟存储器中用来存放C. ______。
3 硬布线控制器的设计方法是：先画出A. ______流程图，再利用B. ______写出综合逻辑表达式，然后用C. ______等器件实现。
4 磁表面存储器主要技术指标有A.______，B. ______，C. ______，和数据传输率。
5DMA 控制器按其A. ______结构，分为B. ______型和C. ______型两种。
6 A.高速性 B.先行 C.阵列。
7 A.内容 B.行地址表 C.页表和段表。
8 A.指令周期 B.布尔代数 C.门电路、触发器或可编程逻辑。
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。