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。
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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