硬布�控制�是早期設(shè)計計算機(jī)的一種方法。硬布線控制器是將控制部件做成產(chǎn)生專門固定時序控制信號�邏輯電路,產(chǎn)生各種控制信�,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)計目�(biāo),因為該邏輯電路由門電路和觸�(fā)器構(gòu)成的�(fù)雜樹型網(wǎng)�(luò),所以稱為硬布線控制��
一旦控制部件構(gòu)成后,除非重新設(shè)計和物理上對它重新布�,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,通過激活一系列彼此很不相同的控制信號來實現(xiàn)對指令的解釋,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)計和�(diào)試非常復(fù)雜且代價很大。正因為如此,硬布線控制器被微程序控制器所取代。但是,在同樣的半導(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)計思想又得到了重視,現(xiàn)代新型計算機(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)生計算機(jī)所需的全部操作命�,是控制器的核心�
(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)來自時序�(chǎn)生器的時序信�,包括節(jié)拍電位信號M1~Mi和節(jié)拍脈沖信號T1~Tk。其中節(jié)拍電位信號就是機(jī)器周�(CPU周期)信號,節(jié)拍脈沖信號是時鐘周期信號�
組合邏輯�(wǎng)�(luò)N的輸出信號就是微操作控制信號C1~Cn,用來對�(zhí)行部件�(jìn)行控�。另有一些信號則根據(jù)條件變量來改變時序發(fā)生器的計�(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�,歸納起來可敘述為:某一微操作控制信號C是指令操作碼譯碼器輸出Im、時序信�(節(jié)拍電位Mi,節(jié)拍脈沖Tk)和狀�(tài)條件信號Bj的邏輯函�(shù),其�(shù)�(xué)描述為:
C=f(Im,Mi,Tk,Bj)
控制信號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)計實�(xiàn)�。當(dāng)�(jī)器加電工作時,某一操作控制信號C在某條特定指令和狀�(tài)條件�,在某一操作的特定節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖時間間隔中起作用,從而激活這條控制信號�,對�(zhí)行部件實施控�。顯然,從指令流程圖出發(fā),就可以一個不漏地確定在指令周期中各個時刻必須激活的所有操作控制信�。例如,對引起一次主存讀操作的控制信號C3來說,當(dāng)節(jié)拍電位M1=1,取指令時被激�;而節(jié)拍電位M4=1,三條指令(LDA,ADD,AND)取操作�(shù)時也被激�,此時指令譯碼器的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)條件的約束,所以每一控制信號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�。因此,在某些超高速新型計算機(jī)�(jié)�(gòu)�,又選用了硬布線控制器或與微程序控制器混合使用�
(1) 采用適宜指令格式,合理分配指令操作碼�
(2) 確定�(jī)器周�、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�� 綜合所有指令的每一個操作命�,寫出邏輯表�(dá)�,并�(jìn)行化簡�
(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�(xiàn)。操作命令的控制信號先用邏輯表達(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)計方法產(chǎn)生控制信��
總之,控制信號的�(shè)計與實現(xiàn),技巧性較�(qiáng),一些專門的開�(fā)系統(tǒng)或工具供邏輯�(shè)計使用,但是,對全局的考慮主要依靠�(shè)計人員的智慧和經(jīng)驗實�(xiàn)�
比較
硬布線控制器與微程序控制器相比較,在操作控制信號的形成上有較大的區(qū)別外,其它沒有本�(zhì)的區(qū)�。對于實�(xiàn)相同的一條指�,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)計方�,導(dǎo)致了各種不同的控制器在具體實�(xiàn)方法和手段上的區(qū)別,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�
實現(xiàn)方式
微程序控制器的控制功能是在存放微程序存儲器和存放�(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實現(xiàn)�,而硬布線控制的功能則由邏輯門組合實現(xiàn)。微程序控制器的電路比較�(guī)�,各條指令信號的差別集中在控制存儲器�(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儲器�(nèi)容即可,若控制存儲器是ROM,則要更換芯�,在�(shè)計階段可以先用RAM或EPROM來實�(xiàn),驗證正確后或成批生�(chǎn)時,再用ROM代替。硬布線控制器的控制信號先用邏輯式列�,經(jīng)化簡后用電路來實�(xiàn),因�,顯得零亂復(fù)雜,�(dāng)需要修改指令或增加指令時就必須重新�(shè)計電�,非常麻煩而且有時甚至無法改變。因�,微操作控制取代了硬布線控制并得到了廣泛�(yīng)�,尤其是指令�(fù)雜的計算�(jī),一般都采用微程序來實現(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�,因為執(zhí)行每條微程序指令都要從控制存儲器中讀取,影響了速度;而硬布線控制邏輯主要取決于電路延�,因而在超高速機(jī)器中,對影響速度的關(guān)鍵部分如核心部件CPU,往往采用硬布線邏輯實�(xiàn)。在一些新型計算機(jī)系統(tǒng)�,例�,RISC(精簡指令系統(tǒng)計算�(jī))�,一般都選用硬布線邏輯電��
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