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1、目 录目 录i摘 要iiAbstractiii第一章 课题背景11.1 设计目的11.2 设计原理1第二章 设计简介及设计方案论述22.1 单元电路设计2第三章 详细设计43.1 芯片介绍43.2 指令系统结构及功能确定6第四章 设计结果及分析74.1 设计结果分析7摘 要硬连线控制器是由基本逻辑电路组成的，对指令中的操作码进行译码，并产生相应的时序控制信号的部件，又称组合逻辑控制器。硬连线控制器由指令部件、地址部件、时序部件、操作控制部件和中断控制部件等组成(参见“中央处理器”条目中的控制器部分)。其中操作控制部件用来产生各种操作控制命令，它根据指令要求和指令流程，按照一定顺序发出各种控制命
2、令。操作控制部件的输人信号有:指令译码器的输出信号、时序信号和运算结果标志状态信号等。设计时根据指令流程、操作时间表得到各种操作控制命令的逻辑表达式，可采用由基本逻辑电路（与门、或门、与非门等）组成的逻辑网络来实现。也可采用可编程逻辑器件PLD来实现。PLD的“与”阵列及“或”阵列和操作控制命令的“与一或”逻辑表达式相对应，为设计组合逻辑控制器提供了一种理想器件。80年代出现的通用阵列逻辑电路GAL与PAL(参见专用逻辑集成电路)）具有与可编程逻辑器件PLD类似的结构，它不但可编程并且是可擦除的，为设计提供了更大的灵活性。组合逻辑控制器的最大优点是速度快。但因其线路复杂而且不规整，不便于调试、
3、维护、修改，也不便于仿真不同的机器的指令集。关键词：硬连线控制器；基本逻辑AbstractHard wired controlleris composed ofthe basic logiccircuits,decodes the instructionin theoperation code,andproduce the correspondingsequential control signalcomponents,also called combinedlogic controller.Hard wired controllerby theinstruction unit,address
4、components,temporalparts,operation controlpart and theinterrupt controlcomponentsetc.(seethe controllerpartcentralprocessorin entry).Theoperation control unitis used for generating variousoperation control command,itaccording to the instructionsand instructionprocess,according to the order ofthe con
5、trol commands issued.The operation ofpart of the controlinput signal:the instruction decoderoutputsignals,timing signals andoperation resultsindicating the statussignal.The designaccording to theinstruction flow,operation scheduleobtainedlogicalexpression of variousoperation control command,can bead
6、opted by thebasic logic circuits(and gate,or gateand NAND gatelogicnetwork compositionetc.)to realize.Can also adopt theprogrammable logic devicePLD to realize.PLDandandorarray andarrayoperationcontrol commandandorlogicalexpression corresponding,providing an idealdevicefor the design ofcombinational
7、 logic controller.GALandPAL generic array logiccircuit(80of the 1980s(seespecial logicintegrated circuit)withprogrammable logic device structuresimilar to the PLD,it is not onlya programmableanderasable,providesmore flexibility todesign.The biggest advantagecombinational logiccontrolleris fast.But b
8、ecause of thecircuitcomplex andirregular,not easy to debug,maintain,modify,alsonoteasy for machineswith differentinstruction setsimulation.Keywords：Hard wired controller；basic logic第一章 课题背景自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机技术在元件器件、硬件系统结构、软件系统、应用等方面，均有惊人进步，现代计算机系统小到微型计算机和个人计算机，大到巨型计算机及其网络，形态、特性多种多样，已广泛用于科学计算、事务处
9、理和过程控制，日益深入社会各个领域，对社会的进步产生深刻影响。电子计算机分数字和模拟两类。通常所说的计算机均指数字计算机，其运算处理的数据，是用离散数字量表示的。而模拟计算机运算处理的数据是用连续模拟量表示的。模拟机和数字机相比较，其速度快、与物理设备接口简单，但精度低、使用困难、稳定性和可靠性差、价格昂贵。故模拟机已趋淘汰,仅在要求响应速度快,但精度低的场合尚有应用。把二者优点巧妙结合而构成的混合型计算机，尚有一定的生命力。现在的计算机绝大多是由冯诺依曼计算机发展而来的，它由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成，在计算机中指令和数据以等同的地位存放在存储器中，并可以按地址寻
10、访，指令和数据都是用二进制数表示，指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置，指令在存储器中按顺序存放。这些冯诺依曼计算机的特点到现在还是在运用着，在这次的设计中这些只是可以帮助来更好的理解计算机系统，为设计提供一些依据，有助于找寻设计思路，完成计算机系统的设计工作。计算机的核心部件CPU通常包含运算器和控制器两大部分。组成CPU的基本部件有运算部件，寄存器组，微命令产生部件和时序系统等。这些部件通过CPU内部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。1.1 设计目的（1）深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；（2）深入学习计算机各类典型指令的执行
11、流程；（3）学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。（4）在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。（5）定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。（6）通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。1.2 设计原理在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到
12、指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。第二章 设计简介及设计方案论述2.1 单元电路设计2.1.1 运算部件运算部件的任务是对操作数进行加工处理。主要由三部分组成：(1) 输入逻辑。(2) 算术/逻辑运算部件ALU。(3) 输出逻辑。2.1.2 寄存器组计算机工作时，CPU 需要处理大量的控制信息和数据信息。例如对指令信息进行译码，以便产生相应控制命令对操作数进行算术或逻辑运算加工，并且根据运算结果决定后续操作等。因此，在CPU 中需要设置若干寄存器，暂时存放这些信息。在模型CPU中，寄存器组由R0、R1、R2所组成。2.1.3 指令寄存器指令
13、寄存器（IR）用来存放当前正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信息等，是产生微命令的主要逻辑依据。2.1.4 程序计数器程序计数器（PC）也称指令指针，用来指示指令在存储器中的存放位置。当程序顺序执行时，每次从主存取出一条指令，PC 内容就增量计数，指向下一条指令的地址。增量值取决于现行指令所占的存储单元数。如果现行指令只占一个存储单元，则PC 内容加1；若现行指令占了两个存储单元，那么PC 内容就要加2。当程序需要转移时，将转移地址送入PC，使PC 指向新的指令地址。因此，当现行指令执行完，PC 中存放的总是后续指令的地址；将该地址送往主存的地址寄存器AR，便可从存储器读取下一条指令
14、。2.1.5 地址寄存器CPU 访问存储器，首先要找到需要访问的存储单元，因此设置地址寄存器（AR）来存放被访单元的地址。当需要读取指令时，CPU 先将PC 的内容送入AR，再由AR将指令地址送往存储器。当需要读取或存放数据时，也要先将该数据的有效地址送入AR，再对存储器进行读写操作。2.1.6 标志寄存器标志寄存器F 是用来记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式的，标志位则用来反映当前程序的执行状态。一条指令执行后，CPU 根据执行结果设置相应特征位，作为决定程序流向的判断依据。例如，当特征位的状态与转移条件符合时，程序就进行转移；如果不符合，则顺序执行。在后面将要介绍的较复杂模型计算机
15、设计中设置了两个标志位：进位位Fc：运算后如果产生进位，将Fc置为1；否则将Fc清为0。零位Fz：运算结果为零，将Fz置为1，否则将Fz清为0。2.1.7 微命令产生部件实现信息传送要靠微命令的控制，因此在CPU 中设置微命令产生部件，根据控制信息产生微命令序列，对指令功能所要求的数据传送进行控制，同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。微命令产生部件可由若干组合逻辑电路组成，也可以由专门的存储逻辑组成。产生微命令的方式可分为组合逻辑控制方式和微程序控制方式两种。在本章所介绍的8 位模型CPU 设计中，采用微程序控制方式通过微程序控制器和微指令存储器产生微命令，因此此CPU 属于复杂指令CISC CPU。2.1.8 时序系统计算机的工作常常是分步执行的，那么就需要有一种时间信号作为分步执行的标志，如周期、节拍等。节拍是执行一个单步操作所需的时间，一个周期可能包含几个节拍。这样，一条指令在执行过程中，根据不同的周期、节拍信号，就能在不同的时间发出不同的微命令完成不同的微操作。
