硬布线控制器模型机设计实验详解

"该文档是关于计算机组成原理实验的硬布线控制器模型机设计实验的说明，主要涉及硬布线控制器的工作原理、设计思想以及简单的模型机设计流程。实验中，模型机采用硬布线控制器替代微程序控制器，数据通路图与简单模型机相同，机器指令也保持一致。实验内容包括根据指令设计状态机，执行从输入单元读取数据，存储到寄存器，进行加法运算，再将结果输出至显示单元的操作。实验步骤包括分析每个状态所需的控制信号并汇总成表。" 在计算机组成原理中，硬布线控制器是实现指令执行过程的关键组成部分。它由门电路和触发器构建，能够根据输入信号（如指令寄存器输出、时序信号和运算标志）生成一系列控制信号，这些控制信号驱动计算机的不同部件执行特定操作。 硬布线控制器的设计基于两个主要因素：时间信号和空间信号。时间信号决定了控制信号的产生时间，即操作的顺序；空间信号则指明了哪些部件需要接收特定的控制信号，以执行相应的功能。通过结合这两个因素，硬布线控制器能产生具有定时特性的控制序列。 在这个实验中，模型机是一个简化版的计算机，它的控制器部分采用了硬布线设计，而非微程序控制器。这意味着控制逻辑是直接通过硬件实现的，而不是通过存储在控制存储器中的微指令来执行。模型机的数据通路和简单模型机相同，机器指令也保持一致，这使得实验者可以专注于控制器的设计。 实验中，设计了一个基于状态机的控制器，共有10个状态，每个状态对应一种特定的操作，例如从内存读取指令、加载寄存器、执行加法运算等。实验者需要分析每个状态，并确定每个状态下需要的控制信号，这些信号将决定硬件如何执行指定操作。 实验步骤包括分析每个状态的控制信号需求，并将这些信号整理成表格，以便于实际硬件的实现。例如，状态S0可能是系统复位后的状态，S1可能用于更新程序计数器（PC）并将其内容加载到地址寄存器（AR），S5可能用于执行加法操作，而S7则可能用于将结果输出到输出单元。 通过这样的实验，学生可以深入理解计算机内部如何通过硬布线控制器协调各个部件的工作，同时掌握状态机设计和控制信号分析的基本技能，这对于理解和设计更复杂的计算机系统至关重要。