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硬布線控制器
閱讀�7222�(shí)間:2017-12-20 10:22:36

硬布�控制�是早期設(shè)�(jì)�(jì)算機(jī)的一種方�。硬布線控制器是將控制部件做成產(chǎn)生專門固定�(shí)序控制信�(hào)�邏輯電路,產(chǎn)生各種控制信�(hào),因而又稱為組合邏輯控制�。這種邏輯電路以使用最少元件和取得操作速度為設(shè)�(jì)目標(biāo),因?yàn)樵撨壿嬰娐酚砷T電路和觸�(fā)器構(gòu)成的�(fù)雜樹型網(wǎng)�(luò),所以稱為硬布線控制��

方法原理

  一旦控制部件構(gòu)成后,除非重新設(shè)�(jì)和物理上�(duì)它重新布�,否則要想增加新的控制功能是不可能的� 硬布線控制器是計(jì)算機(jī)中最�(fù)雜的邏輯部件之一。當(dāng)�(zhí)行不同的�(jī)器指令時(shí),通過激活一系列彼此很不相同的控制信�(hào)來實(shí)�(xiàn)�(duì)指令的解�,其�(jié)果使得控制器往往很少有明確的�(jié)�(gòu)而變得雜亂無�。結(jié)�(gòu)上的這種缺陷使得硬布線控制器的設(shè)�(jì)和調(diào)試非常復(fù)雜且代價(jià)很大。正�?yàn)槿绱耍膊季€控制器被微程序控制器所取代。但�,在同樣的半�(dǎo)體工藝條件下,硬布線控制器速度要比微程序控制的�,隨著新一代機(jī)器及VLSI技�(shù)的發(fā)展與不斷�(jìn)�,硬布線的隨�(jī)邏輯�(shè)�(jì)思想又得到了重視,現(xiàn)代新型計(jì)算機(jī)體系�(jié)�(gòu)如RISC中多采用硬布線控制邏��
  硬布線控制器主要由組合邏輯網(wǎng)�(luò)、指令寄存器和指令譯碼器、節(jié)拍電�/節(jié)拍脈沖發(fā)生器等部分組�。其中組合邏輯網(wǎng)�(luò)�(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需的全部操作命令,是控制器的核��

 

信號(hào)來源

  (1)來自指令操作碼譯碼器的輸出I1~I(xiàn)m,譯碼器每根輸出線表示一條指�,譯碼器的輸出反映出�(dāng)前正在執(zhí)行的指令�
  (2)來自�(zhí)行部件的反饋信息B1~Bj�
  (3)來自�(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信�(hào),包括節(jié)拍電位信�(hào)M1~Mi和節(jié)拍脈沖信�(hào)T1~Tk。其中節(jié)拍電位信�(hào)就是�(jī)器周�(CPU周期)信號(hào),節(jié)拍脈沖信�(hào)是時(shí)鐘周期信�(hào)�
  組合邏輯�(wǎng)�(luò)N的輸出信�(hào)就是微操作控制信�(hào)C1~Cn,用來對(duì)�(zhí)行部件�(jìn)行控�。另有一些信�(hào)則根�(jù)條件變量來改變時(shí)序發(fā)生器的計(jì)�(shù)順序,以便跳過某些狀�(tài),從而可以縮短指令周��
  硬布線控制器的基本原理,歸納起來可敘述為:某一微操作控制信�(hào)C是指令操作碼譯碼器輸出Im、時(shí)序信�(hào)(節(jié)拍電位Mi,節(jié)拍脈沖Tk)和狀�(tài)條件信號(hào)Bj的邏輯函�(shù),其�(shù)�(xué)描述為:
  C=f(Im,Mi,Tk,Bj)
  控制信號(hào)C是用門電路、觸�(fā)器等許多器件采用布爾代數(shù)方法來設(shè)�(jì)�(shí)�(xiàn)�。當(dāng)�(jī)器加電工作時(shí),某一操作控制信號(hào)C在某條特定指令和狀�(tài)條件下,在某一操作的特定節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時(shí)間間隔中起作�,從而激活這條控制信號(hào)線,�(duì)�(zhí)行部件實(shí)施控�。顯�,從指令流程圖出�(fā),就可以一�(gè)不漏地確定在指令周期中各�(gè)�(shí)刻必須激活的所有操作控制信�(hào)。例�,對(duì)引起一次主存讀操作的控制信�(hào)C3來說,當(dāng)節(jié)拍電位M1=1,取指令�(shí)被激�;而節(jié)拍電位M4=1,三條指令(LDA,ADD,AND)取操作�(shù)�(shí)也被激�,此�(shí)指令譯碼器的LDA,ADD,AND輸出均為1,因此C3的邏輯表�(dá)式可由下式確定:
  C3=M1+M4(LDA+ADD+AND�
  一般來�,還要考慮節(jié)拍脈沖和狀�(tài)條件的約�,所以每一控制信號(hào)C可以由以下形式的布爾代數(shù)表達(dá)式來確定�
  Cn=�(Mi*Tk*Bj*∑Im)
  與微程序控制相比,硬布線控制的速度較快。其原因是微程序控制中每條微指令都要從控存中讀取一�,影響了速度,而硬布線控制主要取決于電路延�。因�,在某些超高速新型計(jì)算機(jī)�(jié)�(gòu)�,又選用了硬布線控制器或與微程序控制器混合使��

�(shè)�(jì)注意

  (1) 采用適宜指令格式,合理分配指令操作碼�
  (2) 確定�(jī)器周期、節(jié)拍與主頻�
  (3) 確定�(jī)器周期數(shù)及一周期�(nèi)的操��
  (4) �(jìn)行指令綜合; 綜合所有指令的每一�(gè)操作命令,寫出邏輯表�(dá)式,并�(jìn)行化��
  (5) 明確組合邏輯電路� 將簡化后的邏輯表�(dá)式用組合邏輯電路來實(shí)�(xiàn)。操作命令的控制信號(hào)先用邏輯表達(dá)式列�,�(jìn)行化�,考慮各種條件的約�,合理選用邏輯門電路、觸�(fā)器等器件,采用組合邏輯電路的�(shè)�(jì)方法�(chǎn)生控制信�(hào)�
  總之,控制信�(hào)的設(shè)�(jì)與實(shí)�(xiàn),技巧性較�(qiáng),一些專門的開�(fā)系統(tǒng)或工具供邏輯�(shè)�(jì)使用,但是,�(duì)全局的考慮主要依靠�(shè)�(jì)人員的智慧和�(jīng)�(yàn)�(shí)�(xiàn)�
  比較
  硬布線控制器與微程序控制器相比較,在操作控制信號(hào)的形成上有較大的區(qū)別外,其它沒有本�(zhì)的區(qū)�。對(duì)于實(shí)�(xiàn)相同的一條指令,不管是采用硬布線控制還是采用微程序控制技�(shù),都可以采用多種邏輯�(shè)�(jì)方案,導(dǎo)致了各種不同的控制器在具體實(shí)�(xiàn)方法和手段上的區(qū)�,性能差異�
  硬布線控制與微程序控制的主要區(qū)別歸納為如下方面�
  �(shí)�(xiàn)方式
  微程序控制器的控制功能是在存放微程序存儲(chǔ)器和存放�(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下�(shí)�(xiàn)�,而硬布線控制的功能則由邏輯門組合�(shí)�(xiàn)。微程序控制器的電路比較�(guī)整,各條指令信號(hào)的差別集中在控制存儲(chǔ)器內(nèi)容上,因�,無論是增加或修改指令都只要增加或修改控制存�(chǔ)器內(nèi)容即�,若控制存儲(chǔ)器是ROM,則要更換芯�,在�(shè)�(jì)階段可以先用RAM或EPROM來實(shí)�(xiàn),驗(yàn)證正確后或成批生�(chǎn)�(shí),再用ROM代替。硬布線控制器的控制信號(hào)先用邏輯式列出,�(jīng)化簡后用電路來實(shí)�(xiàn),因此,顯得零亂�(fù)�,當(dāng)需要修改指令或增加指令�(shí)就必須重新設(shè)�(jì)電路,非常麻煩而且有時(shí)甚至無法改變。因此,微操作控制取代了硬布線控制并得到了廣泛應(yīng)�,尤其是指令�(fù)雜的�(jì)算機(jī),一般都采用微程序來�(shí)�(xiàn)控制功能�
  性能方面
  在同樣的半導(dǎo)體工藝條件下,微程序控制的速度比硬布線控制的速度�,因?yàn)�?zhí)行每條微程序指令都要從控制存�(chǔ)器中讀�,影響了速度;而硬布線控制邏輯主要取決于電路延�(shí),因而在超高速機(jī)器中,對(duì)影響速度的關(guān)鍵部分如核心部件CPU,往往采用硬布線邏輯實(shí)�(xiàn)。在一些新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)�,例�,RISC(精簡指令系統(tǒng)�(jì)算機(jī))�,一般都選用硬布線邏輯電路�

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