实验四微程序控制器设计实验Word文档格式.docx
《实验四微程序控制器设计实验Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验四微程序控制器设计实验Word文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
Pl信号在微程序中每条机器指令执行结束时为l，用于检测有无中断请求INTQ，而时序发生器用它来实现单条机器指令停机。
在DB=0且DP=0的前提下，当DZ=0时，机器连续运行。
当DZ=1时，机器处于单指方式，每次只执行一条机器指令。
DB、SKIP、CLK1信号以及W1－W4时序信号都是针对硬布线控制器的。
W1－W4是节拍信号，硬布线控制器执行一条机器指令需要一组W1－W4信号。
DB（单步）信号就是每次发送一组W信号后停机，可见其功能与DZ类似。
执行某些机器指令不需要完整的一组W信号周期，SKIP信号就是用来跳过本指令剩余的W节拍信号的。
中断允许标志IE由控制存储器的输出信号INTS将其置1，由控制存储器的输出信号INTC将其置0。
在TIMER2内部，控制台产生的中断请求用时钟CLK1进行同步，产生了INTR1。
只有在INTE=l时，控制台产生的中断请求脉冲INTR才能起作用，即产生向控制器输出中断信号INTQ，INTQ=INTE&
INTR1。
2.数据通路
微程序控制器是根据数据通路和指令系统来设计的。
这里采用的数据通路是在综合前面各实验模块的基础上，又增加程序计数器PC（U18）、地址加法器ALU2（U17）、地址缓冲寄存器R4（U25、U26）和中断地址寄存器IAR（U19）。
PC和ALU2各采用一片GAL22V10，两者配合使用，可完成程序地址的存储、增1和加偏移量的功能。
R4由两片74HC298组成，带二选一输入端。
IAR是一片74HC374，用于中断时保存断点地址。
数据通路总体图
3.微指令格式与微程序控制器电路
根据给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用的微指令格式见下图。
微指令字长共35位。
其中顺序控制部分10位（后继微地址6位，判别字段4位），操作控制字段25位，各位进行直接控制。
微指令格式中，信号名带有后缀“#”的信号为低有效信号，不带有后缀“#”的信号为高有效信号。
微指令格式
对应微指令格式，微程序控制器的组成如下图所是示：
微程序控制器的组成
控制存储器采用5片EEPROM28C64（U8，U9，U10，U11，U12）。
28C64的输出是D0－D7，分别与引脚11、12、13、15、16、17、18、19相对应，CM0是最低字节，CM4是最高字节。
微地址寄存器6位，用一片6D触发器74HC174（U1）组成，带有清零端。
两级与门、或门构成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令的地址。
在每个T1上升沿时刻，新的微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存储器随即输出相应的微命令代码。
微地址转移逻辑生成下一地址，等下一个T1上升沿时打入微地址寄存器。
跳转开关JUMP（J1）是一组6个跳线开关。
当用短路子将它们连通时，微地址寄存器μAR从本实验系统提供的微程序地址译码电路得到新的微程序地址μD0－μD5。
当他们被断开时，用户提供自已的新微程序地址μD0－μD5。
这样用户能够使用自己设计的微程序地址译码电路。
5片EEPROM的地址A6（引脚4）直接与控制台开关SWC连接，当SWC=1时，微地址大于或者等于40H，当SWC=0时，微地址的范围00H－3FH。
SWC主要用于实现读寄存器堆的功能。
微地址转移逻辑的多个输入信号中，INTQ是中断请求，本实验中可以不理会它。
SWA、SWB是控制台的两个二进制开关信号，实验台上线已接好。
C是进位信号，IR7－IR4是机器指令代码，由于本次实验不连接数据通路，这些信号都接到二进制开关K0—Kl5上。
三
、机器指令与微程序
为了在教学中简单明了，本实验仪使用12条机器指令，均为单字长（8位）指令。
指令功能与格式
名
称
助记符
功
能
指
令
格
式
IR7
IR6
IR5IR4
IR3
IR2
IR1
IR0
加法
ADDRd,Rs
Rd+Rs->
Rd
0
0
RS1
RS0
RD1
RD0
减法
SUBRd,Rs
Rd-Rs->
1
RS1
乘法
MULRd,Rs
Rd*Rs->
逻辑与
ANDRd,Rs
Rd&
Rs->
1
存数
STARd,[Rs]
Rd->
[Rs]
RS0
取数
LDARd,[Rs]
[Rs]->
1
无条件转移
JMP[Rs]
PC
0
XX
条件转移
JCD
若C=1则
PC+D->
D3
D2
D1
D0
停机
STP
暂停运行
X
X
中断返回
IRET
返回中断
X
开中断
INTS
允许中断
关中断
INTC
禁止中断
指令功能及格式如表所示。
指令的高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。
应当指出，用以上12条指令来编写实际程序是不够的。
好在我们的目的不是程序设计，而主要是为了教学，通过CPU执行一些最简单的程序来掌握微程序控制器的工作原理。
上述12条指令的微程序流程设计如下图所示。
每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个28C64中。
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了以下五个控制台操作微程序:
存储器写操作（KWE）：
按下复位按钮CLR#后，微地址寄存器状态为全零。
此时置SWC=0、SWB=1、SWA=0，按启动按钮后微指令地址转入27H，从而可对RAM连续进行手动写入。
存储器读操作（KRD）：
按下复位按钮CLR#后，置SWC=0，SWB=0，SWA=1，按启动按钮后微指令地址转入17H，从而可对RAM连续进行读操作。
写寄存器操作（KLD）：
按下复位按钮CLR#后，置SWC=0，SWB=1，SWA=1，按启动按钮后微指令地址转入37H，从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。
读寄存器操作（KRR）：
按下复位按钮CLR#后，置SWC=1，SWB=0，SWA=0，按启动按钮后微指令地址转入47H，从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。
启动程序（PR）：
按下复位按钮CLR#后，置SWC=0，SWB=0，SWA=0，用数据开关SW7－SW0设置内存中程序的首地址，按启动按钮后微指令地址转入07H，然后转到“取指”微指令。
应当着重指出，在微指令格式的设计过程中，对数据通路所需的控制信号进行了归并和化简。
细心的同学可能已经发现，微程序控制器输出的控制信号远远少于数据通路所需的控制信号。
这里提供的微程序流程图是没有经过归并和化简的。
仔细研究一下微程序流程图，就会发现有些信号出现的位置完全一样，这样的信号用其中一个信号就可以代表。
请看信号LDPC和LDR4，这两个信号都在微程序地址07H，1AH，1FH，26H出现，而在其他的微程序地址都不出现，因此这两个信号产生的逻辑条件是完全一样的。
从逻辑意义上看，这两个信号的作用是产生新的PC，完全出现在相同的微指令中是很正常的，因此用LDPC完全可以代替LDR4。
还有另一些信号，例如LDDR1和LDDR2，出现的位置基本相同。
LDDR2和LDDR1的唯一不同是在地址14H的微指令中，出现了LDDR2信号，但是没有出现LDDR1信号。
LDDR1和LDDR2是否也可以归并成一个信号呢？
答案是肯定的。
微程序流程图中只是指出了在微指令中必须出现的信号，并没有指出出现其他信号行不行，这就要根据具体情况具体分析。
在地址14H的微指令中，出现LDDR1信号行不行呢？
完全可以。
在地址14H出现的LDDR1是一个无用的信号，同时也是一个无害的信号，它的出现完全没有副作用，因此LDDR1和LDDR2可以归并为一个信号LDDR1。
根据以上两条原则，我们对下列信号进行了归并和化简:
LDIR（CER）为1时，允许对IR加载，此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER。
LDPC（LDR4）为l时，允许对程序计数器PC加载，此信号也可用于作为R4的加载允许信号LDR4。
LDAR1（LDAR2）为l时，允许对地址寄存器AR1加载，此信号也可用于作为对地址寄存器AR2加载。
LDDR1（LDDR2）为1时允许对操作数寄存器DR1加载。
此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载。
Ml（M2）
当M1=l时，操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据；
当M1=0时，操作数寄存器DR1从寄存器堆RF接收数据。
此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号。
在对微指令格式进行归并和化简的过程中，我们有意保留了一些信号，没有化简，同学们可以充分发挥创造性，提出更为简单的微指令格式。
还要说明的是，为什么微指令格式可以化简，而实验台数据通路的控制信号为什么不进行化简？
最主要的原因是前面进行的各个实验的需要，例如LDDR1和LDDR2这两个信号，在做运算器数据通路实验时，是不能设计成一个信号的。
还有一个原因是考虑到实验时易于理解，对某些可以归并的信号也没有予以归并。
四、实验设备
（1）TEC－4计算机组成原理实验系统一台
（2）直流万用表一只
（3）逻辑测试笔一支
五、实验任务
（1）按实验要求，连接实验台的开关K0—K15、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。
注意：
本次实验只做微程序控制器本身的实验，故微程序控制器输出的微命令信号与执行部件（数据通路）的连线暂不连接。
连线完成后应仔细检查一遍，然后才可加上电源。
（2）熟悉微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码，列于下表。
三种控制台指令的功能由SWC，SWB，SWA三个二进制开关的状态来指定（KRD=001B，KWE=010B，PR=000B）。
微指令地址
微指令编码
00H
0005C00207
3CH
0405C8003D
07H
0005412005
17H
000544003F
27H
040544003D
3FH
0409C0003E
3DH
000140003C
3EH
0005C8003F
单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况。
并与上表数据对照。
（3）用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KRD、KWE、PR微地址转移逻辑功能的实现。
（4）熟悉05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件（IR4－IR7），用二进制开关设置IR7－IR4的不同状态，观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。
（用逻辑笔测试有关逻辑电路的电平，分别做出测试记录。
）
（5）设置IR7－IR4的不同组合，用单拍方式执行SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微程序，用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移和执行情况。
用逻辑笔测试小插座上输出的微命令信号，记录SUB、LDA、STA、JUMP四条机器指令的微命令信号。
六、实验步骤
（1）接线
跳线开关J1用短路子短接。
控制器的输入C接K0，IR4接K1，IR5接K2，IR6接K3，IR7接K4，TJI接K5，SKIP接GND。
合上电源。
按CLR#按钮，便实验系统处于初始状态。
（2）用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KWE、KRD、PR微地址转移逻辑功能的实现。
将时序电路的输入TJI与控制存储器的输出TJ连接，置DP=l，DB=0，DZ=0。
选择SWC=0、SWB=0、SWA=l，按QD按钮，验证KRD的微地址转移功能；
选择SWC=0、SWB=l、SWA=0，按QD按钮，验证KWE的微地址转移功能；
选择SWC=0、SWB=0、SWA=0，按QD按钮，验证PR的微地址转移功能。
这里不再详述。
（3）熟悉地址05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件（IR4－IR7），用二进制开关设置IR7－IR4的不同状态，观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。
1．05H微指令的功能是根据程序计数器PC从存储器取指令，送往指令寄存器IR，同时进行PC+1的操作。
05H微指令的下一微指令地址是10H。
不过，10H只是一个表面的下一微地址，由于该微指令中P2=1，因此实际的微指令地址的低4位要根据IR7－IR4确定，实际微地址为10H+IR7IR6IR5IR4。
2．置DP=1，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。
选择SWC=0、SWB=0、SWA=0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。
令K4（IR7）=0，K3（IR6）=0，K2（IR5）=0，K1（IR4）=0，相当于ADD指令的操作码。
按一次QD按钮，微地址变为07H。
按一次QD按钮，微地址变为05H。
按一次QD按钮，微地址变为10H。
按一次QD按钮，微地址变为3BH。
按一次QD按钮，微地址变为34H。
按一次QD按钮，微地址变为0FH。
3．置DP=1，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。
令K4（IR7）=0，K3（IR6）=0，K2（IR5）=0，K1（IR4）=1，相当于SUB指令的操作码。
按一次QD按钮，微地址变为11H。
按一次QD按钮，微地址变为3AH。
4．置DP=l，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。
令K4（IR7）=0，K3（IR6）=l，K2（IR5）=0，K1（IR4）=0，相当于STA指令的操作码。
按一次QD按钮，微地址变为14H。
按一次QD按钮，微地址变为35H。
5．置DP=l，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。
令K4（IR7）=0，K3（IR6）=1，K2（IR5）=0，K1（IR4）=1，相当于LDA指令的操作码。
按一次QD按钮，微地址变为15H。
按一次QD按钮，微地址变为36H。
6．置DP=l，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。
令K4（IR7）=l，K3（IR6）=0，K2（IR5）=0，K1（IR4）=0，相当于JMP指令的操作码。
按一次QD按钮，微地址变为18H。
附取机器指令周期及ADD指令执行周期微程序代码
当
前
微
地
址
T
J
S2
S1
S0
M
1
L
D
R
W
C
E
#
A
U
︱
BUS
RS
S
IAR
3
AR1
INC
I
4
P
ADD
N
P3P2
P1P0
A5A4
A3A2
A1A0
00
000
1000
000111
07
0000
000101
05
0100
010000
10
111011
3B
010
110100
34
001111
0F
0010
升级会员 