硬佈線控制器

硬佈線控制器，又稱組合邏輯控制器

一旦控制部件構成後，除非重新設計和物理上對它重新佈線，否則要想增加新的控制功能是不可能的。 硬佈線控制器是計算機中最複雜的邏輯部件之一。當執行不同的機器指令時，通過激活一系列彼此很不相同的控制信號來實現對指令的解釋，其結果使得控制器往往很少有明確的結構而變得雜亂無章。結構上的這種缺陷使得硬佈線控制器的設計和調試非常複雜且代價很大。正因為如此，硬佈線控制器被微程序控制器所取代。但是，在同樣的半導體工藝條件下，硬佈線控制器速度要比微程序控制的快，隨着新一代機器及VLSI技術的發展與不斷進步，硬佈線的隨機邏輯設計思想又得到了重視，現代新型計算機體系結構如RISC中多采用硬佈線控制邏輯。

硬佈線控制器主要由組合邏輯網絡、指令寄存器和指令譯碼器、節拍電位/節拍脈衝發生器等部分組成，硬佈線控制器的結構方框圖如圖1所示。其中組合邏輯網絡產生計算機所需的全部操作命令，是控制器的核心。

(1)來自指令操作碼譯碼器的輸出I1～Im ,譯碼器每根輸出線表示一條指令，譯碼器的輸出反映出當前正在執行的指令；

(2)來自執行部件的反饋信息B1～Bj ；

(3)來自時序產生器的時序信號，包括節拍電位信號M1～Mi和節拍脈衝信號T1～Tk。其中節拍電位信號就是機器週期(CPU週期)信號，節拍脈衝信號是時鐘週期信號。

組合邏輯網絡N的輸出信號就是微操作控制信號C1～Cn，用來對執行部件進行控制。另有一些信號則根據條件變量來改變時序發生器的計數順序，以便跳過某些狀態，從而可以縮短指令週期。

硬佈線控制器的基本原理，歸納起來可敍述為：某一微操作控制信號C是指令操作碼譯碼器輸出Im 、時序信號(節拍電位Mi ，節拍脈衝Tk )和狀態條件信號Bj 的邏輯函數，其數學描述為：

C=f(Im，Mi，Tk，Bj )

控制信號C是用門電路、觸發器等許多器件採用布爾代數方法來設計實現的。當機器加電工作時，某一操作控制信號C在某條特定指令和狀態條件下，在某一操作的特定節拍電位和節拍脈衝時間間隔中起作用，從而激活這條控制信號線，對執行部件實施控制。顯然，從指令流程圖出發，就可以一個不漏地確定在指令週期中各個時刻必須激活的所有操作控制信號。例如，對引起一次主存讀操作的控制信號C3來説，當節拍電位M1=1，取指令時被激活；而節拍電位M4=1，三條指令（LDA，ADD，AND）取操作數時也被激活，此時指令譯碼器的LDA，ADD，AND輸出均為1，因此C3的邏輯表達式可由下式確定：

C3=M1+M4（LDA+ADD+AND）

一般來説，還要考慮節拍脈衝和狀態條件的約束，所以每一控制信號C可以由以下形式的布爾代數表達式來確定：

Cn=∑(Mi*Tk*Bj*∑Im)

與微程序控制相比，硬佈線控制的速度較快。其原因是微程序控制中每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而硬佈線控制主要取決於電路延遲。因此，在某些超高速新型計算機結構中，又選用了硬佈線控制器或與微程序控制器混合使用。

(1) 採用適宜指令格式，合理分配指令操作碼；

(2) 確定機器週期、節拍與主頻；

(3) 確定機器週期數及一週期內的操作；

(4) 進行指令綜合； 綜合所有指令的每一個操作命令，寫出邏輯表達式，並進行化簡。

(5) 明確組合邏輯電路。 將簡化後的邏輯表達式用組合邏輯電路來實現。操作命令的控制信號先用邏輯表達式列出，進行化簡，考慮各種條件的約束，合理選用邏輯門電路、觸發器等器件，採用組合邏輯電路的設計方法產生控制信號。

總之，控制信號的設計與實現，技巧性較強，一些專門的開發系統或工具供邏輯設計使用，但是，對全局的考慮主要依靠設計人員的智慧和經驗實現。

硬佈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別外，其它沒有本質的區別。對於實現相同的一條指令，不管是採用硬佈線控制還是採用微程序控制技術，都可以採用多種邏輯設計方案，導致了各種不同的控制器在具體實現方法和手段上的區別，性能差異。

硬佈線控制與微程序控制的主要區別歸納為如下方面：

微程序控制器的控制功能是在存放微程序存儲器和存放當前正在執行的微指令的寄存器直接控制下實現的，而硬佈線控制的功能則由邏輯門組合實現。微程序控制器的電路比較規整，各條指令信號的差別集中在控制存儲器內容上，因此，無論是增加或修改指令都只要增加或修改控制存儲器內容即可，若控制存儲器是ROM，則要更換芯片，在設計階段可以先用RAM或EPROM來實現，驗證正確後或成批生產時，再用ROM代替。硬佈線控制器的控制信號先用邏輯式列出，經化簡後用電路來實現，因此，顯得零亂複雜，當需要修改指令或增加指令時就必須重新設計電路，非常麻煩而且有時甚至無法改變。因此，微操作控制取代了硬佈線控制並得到了廣泛應用，尤其是指令複雜的計算機，一般都採用微程序來實現控制功能。

在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比硬佈線控制的速度低，因為執行每條微程序指令都要從控制存儲器中讀取，影響了速度；而硬佈線控制邏輯主要取決於電路延時，因而在超高速機器中，對影響速度的關鍵部分如核心部件CPU，往往採用硬佈線邏輯實現。在一些新型計算機系統中，例如，RISC(精簡指令系統計算機)中，一般都選用硬佈線邏輯電路。