计算机组成原理 5.5 硬布线控制器..

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。

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。

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。

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。

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。

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。

实验三硬布线控制器实验一、实验目的1. 通过多种方式，查看教学计算机指令的执行步骤、运行结果、各组控制信号在每一个执行步骤中的状态、指令之间的衔接等有关内容。

2. 熟悉教学计算机的指令格式、指令编码、寻址方式和指令功能等内容。

3. 熟悉教学计算机的总体组成和各部件的运行原理，理解控制器部件在计算机整机中的关键作用。

4. 理解和熟悉指令执行步骤的划分方案。

5. 熟悉教学计算机的硬布线控制器各控制命令的控制功能。

二、实验要求1．实验之前要认真预习，写出预习报告，包括操作步骤，实验过程所用数据和运行结果等。

2．实验过程中，要仔细进行，防止损坏设备，分析可能的各种现象，判断结果是否正确，记录运行结果。

3. 实验之后，认真写出实验报告，包括对遇到的各种现象的分析，实验步骤和实验结果，实验心得体会与收获。

三、实验内容1. 将5个拨动开关置为11101（单节拍、指令来自开关、组合逻辑、16位、联机工作方式），按一下RESET。

在单节拍方式下，每按一次START键，执行一个节拍的功能。

此时教学机反复执行这一条指令，对照指令执行流程图，看节拍发生器的状态输出，能够最方便的查看不同类型的指令的执行步骤的变化与连接关系。

此时无须关心指令的执行功能，因为此时指令得不到正确的操作数据和地址。

2. 使用手拨开关SWH和SWL输入16位指令操作码。

注意：如果是双字指令，则只能拨入高16位，此时运算结果不正确，可忽略。

拍。

例如：使用手拨开关SWH和SWL输入MVRD指令的操作码88H（为B组指令），先按RESET键，再依次按START键，看到节拍发生器的状态输出为：0000-0010-0110-0100。

操作序列1：请把ADD、PUSH、LDRA、CALA指令通过开关送给控制器，利用教学机把各自节拍流程找出来，并写在下表中。

操作序列2：请自行从A、B、C、D四组中各选择若干条指令通过开关送给控制器，利用教学机把各自节拍流程找出来，并写在下表中，表格行数可自行增加。

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。

一、课程概述《计算机组成原理》是计算机专业的最重要的基础课程之一,主要以信息在计算机内部的加工、处理为主线介绍计算机的结构、工作原理和功能特性；从一台计算机的整体结构出发,介绍计算机硬件系统内部各部件之间的互连、指令系统和指令在计算机中的执行过程；详细介绍组成计算机的各部件的组成原理、逻辑实现和设计方法；为了便于学生对基本概念的理解,培养学生对硬件系统的分析、设计、使用方面的能力,给出一种或者两种有代表性的机型的结构介绍。

本课程的教学目的是使学生掌握计算机的基本组成部件、逻辑功能、工作原理、设计方法和实现技术等的有关基础知识和技术,建立完整、清晰的计算机整机概念。

并使学生具备对计算机系统整机和部件进行分析和设计的能力。

计算机组成原理课程的教学任务环绕机器指令级以及与此密切相关的微操作级和汇编语言级,从计算机硬件到计算机软件以及软硬件的有机结合,从计算机内部工作机制与编程求解问题相结合,从CPU 部件与整机系统两个层次,从逻辑组成、内部工作机制、程序设计等三个方面,通过课堂授课和实验,达到计算机组成原理课程的教学基本目的,并培养本学科的学生在设计、分析和解决大型数字系统的基础理论和基本的实际动手能力,为学习后续课程打下良好的基础。

《大学物理》、《计算机导论》、《电路与电子学》、《数字电路》、《汇编语言程序设计》等课程,是《组成原理》的先修课程。

而《计算机组成原理课程设计》、《操作系统》、《计算机接口技术》、《单片机原理与应用》、《计算机体系结构》、《计算机外部设备》及《计算机网络》等课程是它的后续课程。

二、课程目标1．知道《计算机组成原理》这门学科的性质、地位和独立价值。

知道这门学科的研究范围、分析框架、研究方法、学科发展和未来方向。

2．理解计算机系统的运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大组成部件的有关基本概念和基本原理。

了解相应的有关新技术和方法。

3．理解数值数据的表示方法以及运算器的计算方法,了解非数值数据的表示和处理方法以及校验码的表示方法。