设计与实现组合逻辑控制器：CPU系统构建

"实验7 组合逻辑控制器设计" 在本次实验中，我们将深入探讨计算机硬件的核心组成部分——组合逻辑控制器。组合逻辑控制器是CPU的关键部分，负责生成并协调整个计算机系统中各个部件的操作控制信号。通过这个实验，你可以掌握以下关键知识点： 1. **控制器基础知识**：控制器是计算机五大功能部件之一，它的工作是生成并发送控制信号，确保所有部件协同工作。硬布线控制器是一种特定类型的控制器，其逻辑功能是通过固定的硬件实现，不包含任何可编程元素。 2. **指令执行流程**：理解计算机指令的执行过程是设计控制器的基础。每条指令都有其特定的执行步骤，包括取指、译码、执行和结果写回等阶段。控制器需要根据这些步骤生成相应的控制信号。 3. **控制器设计**：控制器的设计主要包括以下几个子部件： - **程序计数器（PC）**：PC存储当前指令的地址，并在每次执行后自动加1，指向下一条指令的地址。 - **指令寄存器（IR）**：存储当前正在执行的指令。 - **状态寄存器**：记录运算结果的状态，如进位、零标志、负标志等。 - **控制逻辑**：根据指令和当前系统状态生成控制信号，这些信号驱动其他部件执行操作。 4. **运算器**：运算器负责执行算术和逻辑运算，通常包括ALU（算术逻辑单元）和寄存器。在本实验中，运算器部分已经通过之前的实验了解。 5. **CPU组成**：一个简单的CPU由控制器和运算器构成。通过将控制器与运算器结合，可以构建一个基本的处理单元，能够执行基本的计算任务。 6. **系统扩展**：除了基础的CPU，实验还包括基本存储器（如EPROM和RAM）、串行接口（如Intel 8251）以及用于显示和输入的接口。这些扩展使得CPU能够与外部设备交互，执行更复杂的任务。 7. **控制信号**：控制器产生的控制信号如读/写信号（I/O请求、写使能）、内存选择信号（MCS0、MCS1）、地址总线和数据总线的控制信号等，这些都是协调系统各部件工作所必需的。 8. **实验实现**：实验中会使用到各种逻辑门和集成电路，例如Am2901、6116、58C65、377、139、138等，通过这些器件来构建和连接控制器的各个子部件。 9. **设计与实现方法**：实验将涵盖逻辑设计、逻辑门级实现、逻辑表达式简化以及电路板布局等方面，锻炼学生的逻辑思维和实践能力。 10. **实验设备**：实验平台包含了各种接口、指示灯、拨数开关、IC插座等，用于直观展示控制信号的变化和系统状态。 通过这个实验，学生不仅能够了解和实践组合逻辑控制器的设计，还能增强对计算机系统整体架构的理解，为后续深入学习计算机体系结构打下坚实基础。