东华理工大学信息工程学院
课程设计报告
课程：计算机组成与体系结构
课程设计题目：基于VHDL的硬连线控制器设计研究
学生姓名：
专 业：计算机科学与技术 班 级：10204102 指导教师：
2013年 1月 6日
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目 录
一、 摘要-------------------------------------------------------------------------3 二、 课程设计目的-------------------------------------------------------------4 三、 课程设计的内容----------------------------------------------------------4 四、 课程设计的分析与步骤-------------------------------------------------5 五、 经验和总结---------------------------------------------------------------10 六、 参考文献------------------------------------------------------------------11 七、 程序清单------------------------------------------------------------------11
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一、摘要
控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)和操作控制器0C(OperationController)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。指令寄存器：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器。程序计数器：指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器，又称指令计数器。操作控制器:CPU内的每个功能部件都完成一定的特定功能。信息在各部件之间传送及数据的流动控制部件的实现。通常把许多数字部件之间传送信息的通路称为“数据通路”。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传到哪个寄存器，都要加以控制。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为“操作控制器”的部件来完成的。
控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。 组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程。具体对比如下：组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能。
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〔热L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、维护、修改，也不便于仿真不同的机器的指令集。
组合逻辑控制器的基本组成：（1）指令寄存器用来存放正在执行的指令。指令分成两部分：操作码和地址码。操作码用来指示指令的操作性质，如加法、减法等；地址码给出本条指令的操作数地址或形成操作数地址的有关信息(这时通过地址形成电路来形成操作数地址)。有一种指令称为转移指令，它用来改变指令的正常执行顺序，这种指令的地址码部分给出的是要转去执行的指令的地址。（2）操作码译码器：用来对指令的操作码进行译码，产生相应的控制电平，完成分析指令的功能。（3）时序电路：用来产生时间标志信号。在微型计算机中，时间标志信号一般为三级：指令周期、总线周期和时钟周期。微操作命令产生电路产生完成指令规定操作的各种微操作命令。这些命令产生的主要依据是时间标志和指令的操作性质。该电路实际是各微操作控制信号表达式(如上面的A→L表达式)的电路实现，它是组合逻辑控制器中最为复杂的部分。（4）指令计数器：用来形成下一条要执行的指令的地址。通常，指令是顺序执行的，而指令在存储器中是顺序存放的。所以，一般情况下下一条要执行的指令的地址可通过将现行地址加1形成，微操作命令“ 1”就用于这个目的。如果执行的是转移指令，则下一条要执行的指令的地址是要转移到的地址。该地址就在本转移指令的地址码字段，将其直接送往指令计数器。
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