實(shí)驗(yàn)四微控制器實(shí)驗(yàn).doc

實(shí)驗(yàn)四 微控制器實(shí)驗(yàn)1 節(jié)拍脈沖發(fā)生器時(shí)序電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課件參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / 實(shí)驗(yàn)4-1.ppt實(shí)驗(yàn)示例參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / DEMO_4_1_S_T一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握節(jié)拍脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法和工作原理。 （2）理解節(jié)拍脈沖發(fā)生器的工作原理。二實(shí)驗(yàn)原理計(jì)算機(jī)之所以能夠按照人們事先規(guī)定的順序進(jìn)行一系列的操作或運(yùn)算，就是因?yàn)樗目刂撇糠帜軌虬匆欢ǖ南群箜樞蛘_地發(fā)出一系列相應(yīng)的控制信號(hào)。這就要求計(jì)算機(jī)必須有時(shí)序電路?？刂菩盘?hào)就是根據(jù)時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生的。本實(shí)驗(yàn)說明時(shí)序電路中節(jié)拍脈沖發(fā)生器的工作原理。1、連續(xù)節(jié)拍發(fā)生電路設(shè)計(jì)（圖4-1-1）：可由4 個(gè)D 觸發(fā)器組成，可產(chǎn)生4 個(gè)等間隔的時(shí)序信號(hào)T1T4，其中CLK1 為時(shí)鐘信號(hào)，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)右邊的方波信號(hào)源clock0 提供，可產(chǎn)生1Hz12MHz 的方波信號(hào)頻率。實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)自行選擇信號(hào)頻率。當(dāng)RST1 為低電平時(shí)，T1 輸出為“1”，而T2、T3、T4 輸出為“0”；當(dāng)RST1 由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，T1T4將在CLK1 的輸入脈沖作用下，周期性地輪流輸出正脈沖，機(jī)器進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)（EXEC）。T1T4 以及CLK1、RST1 的工作波形如圖4-1-2 所示。示例工程文件是T4.bdf。硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法如圖4-1-1 所示，下載T4.SOF 文件，選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，Clock0 接4Hz，鍵8 控制RST1，高電平時(shí)可以看到，發(fā)光管1、2、3、4 分別顯示T1、T2、T3、T4 的輸出電平（實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-2 比較?。?。2、單步節(jié)拍發(fā)生電路（圖4-1-3）：將圖4-1-1 電路稍加改變即可得到圖4-1-3 所示的單步運(yùn)行電路。該電路每當(dāng)RST1 出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖后，僅輸出一組T1、T2、T3、T4 節(jié)拍信號(hào)，直到RST1 出現(xiàn)下一個(gè)負(fù)脈沖，波形如圖4-1-4 所示。示例工程文件是T5.bdf。硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法如圖4-1-3 所示，下載T5.SOF 文件，選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，Clock0 接4Hz（選擇范圍是1Hz-50MH），鍵8 控制RST1。每出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，發(fā)光管1、2、3、4 分別顯示T1、T2、T3、T4 的輸出電平一次（實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-4 比較?。?。3、單步/連續(xù)節(jié)拍發(fā)生電路（圖4-1-5）：。增加兩個(gè)2-1 多路選擇器，可將圖4-1-3 電路改變?yōu)閳D4-1-5 所示電路。S0 是單步或連續(xù)節(jié)拍發(fā)生控制信號(hào)，當(dāng)S0=0，選擇單步運(yùn)行方式；當(dāng)S0=1，選擇連續(xù)運(yùn)行方式。圖4-1-6 為此電路的仿真波形。示例工程文件是TS5.bdf。硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：下載TS5.SOF 文件，選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，Clock0 接4Hz，鍵8 控制RST1，鍵7 控制S0，發(fā)光管1、2、3、4 分別顯示T1、T2、T3、T4 的輸出電平（實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-6 比較！）。圖4-1-5 單步/連續(xù)運(yùn)行電路工作原理圖4-1-6 單步運(yùn)行電路工作波形三實(shí)驗(yàn)步驟(1) 硬件驗(yàn)證測(cè)試連續(xù)節(jié)拍發(fā)生電路（圖4-1-1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-2 比較！(2) 硬件驗(yàn)證測(cè)試單步節(jié)拍發(fā)生電路（圖4-1-3），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-4 比較！(3) 硬件驗(yàn)證測(cè)試單步/連續(xù)節(jié)拍發(fā)生電路（圖4-1-5），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真波形圖4-1-6 比較！(4) 繪出相應(yīng)的時(shí)序波形圖。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)實(shí)驗(yàn)原理。 (2)繪制相應(yīng)的時(shí)序波形圖。 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、討論。五思考題1單步運(yùn)行與連續(xù)運(yùn)行有何區(qū)別，它們各自的使用環(huán)境怎樣？2如何實(shí)現(xiàn)單步/連續(xù)運(yùn)行工作方式的切換？3用VHDL 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)拍控制電路，并通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證其（單步/連續(xù)）功能。2. 程序計(jì)數(shù)器PC 與地址寄存器AR 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課件參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / 實(shí)驗(yàn)4-2.ppt實(shí)驗(yàn)示例參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / DEMO_4_2_PC_AR一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握地址單元的工作原理。2掌握的兩種工作方式，加1 計(jì)數(shù)和重裝計(jì)數(shù)器初值的實(shí)現(xiàn)方法；3掌握地址寄存其從程序計(jì)數(shù)器獲得數(shù)據(jù)和從內(nèi)部總線獲得數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法。二實(shí)驗(yàn)原理地址單元主要由三部分組成：地址寄存器和多路開關(guān)。程序計(jì)數(shù)器PC 用以指出下一條指令在主存中的存放地址，CPU 正是根據(jù)PC 的內(nèi)容去存取指令的。因程序中指令是順序執(zhí)行的，所以PC 有自增功能。程序計(jì)數(shù)器提供下一條程序指令的地址，如電路圖4-2-1所示，在T4 時(shí)鐘脈沖的作用下具有自動(dòng)加1 的功能；在LDPC 信號(hào)的作用下可以預(yù)置計(jì)數(shù)器的初值（如子程序調(diào)用或中斷相應(yīng)等）。當(dāng)LDPC 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器裝入data 端輸入的數(shù)據(jù)。aclr 是計(jì)數(shù)器的清0端，高電平有效（高電平清零）；aclr 為低電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。地址寄存器AR（74273）鎖存訪問內(nèi)存SRAM 的地址。273 中的地址來自兩個(gè)渠道。一是程序計(jì)數(shù)器PC 的輸出，通常是下一條指令的地址；二是來自于內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，通常是被訪問操作數(shù)的地址。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路輸入數(shù)據(jù)的切換，在FPGA 的內(nèi)部通過總線多路開關(guān)BUSMUX 進(jìn)行選擇。LDAR 與多路選擇器的sel 相連，當(dāng)LDAR 為低電平，選擇程序計(jì)數(shù)器的輸出；當(dāng)LDAR 為高電平時(shí)，選擇內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)。三實(shí)驗(yàn)步驟1按照 圖4-2-1 程序計(jì)數(shù)器原理圖編輯、輸入電路，實(shí)驗(yàn)臺(tái)選擇NO.0 工作模式。對(duì)輸入原理圖進(jìn)行編譯、引腳鎖定、并下載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)。示例工程文件是PC_unit.bdf。硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（與仿真波形圖4-2-2比較?。?shí)驗(yàn)說明：（1）下載pc_unit.sof ； （2）用模式鍵選模式“0”，再按一次右側(cè)的復(fù)位鍵；（3）鍵2 和鍵1 可輸入8 位總線數(shù)據(jù)B7.0（此值顯示于發(fā)光管D1D8 和數(shù)碼管2/1）；CLR（鍵5）按2 次(010)，產(chǎn)生一正脈沖，高電平清零；LDAR（鍵6）=0 時(shí)，BUSMUX 輸出程序計(jì)數(shù)器PC 的值；LDAR=1 時(shí)，BUSMUX 輸出B7.0總線數(shù)據(jù)。LDPC（鍵7）：程序計(jì)數(shù)器PC 預(yù)置控制端，當(dāng)LDPC=1 時(shí)，將B7.0總線數(shù)據(jù)裝入程序計(jì)數(shù)器PC；當(dāng)LDPC=0 時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC 處于計(jì)數(shù)自動(dòng)工作狀態(tài)，對(duì)T4 進(jìn)行計(jì)數(shù)；T4（鍵8）：程序計(jì)數(shù)器PC 的計(jì)數(shù)時(shí)鐘CLK，鍵8 按動(dòng)兩次產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。2通過B7.0設(shè)置程序計(jì)數(shù)器的預(yù)加載數(shù)據(jù)。當(dāng)LDPC=0 時(shí)，觀察程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1 的功能；當(dāng)LDPC=1 時(shí)，觀察程序計(jì)數(shù)器加載輸出情況，示例操作：1、所有鍵置0，鍵2/1 輸入A5；按鍵5PC 計(jì)數(shù)器清0(010)；2、連續(xù)按動(dòng)鍵8，可以從數(shù)碼8/7 上看到AR 的輸出，即PC 值；3、按鍵61，選通直接輸出總線上的數(shù)據(jù)A5 作為PC 值，按鍵8，產(chǎn)生一個(gè)脈沖上升沿，即可看到AR（顯示在數(shù)碼8/7）的輸出為A5；4、使鍵6=0，仍選通PC 計(jì)數(shù)器輸出，這時(shí)鍵2/1 輸入86，按鍵7 產(chǎn)生一個(gè)上升脈沖(010)，即用LDPC 將86 加載進(jìn)PC 計(jì)數(shù)器；5、連續(xù)按動(dòng)鍵8，可以發(fā)現(xiàn)AR 的輸出在86 上累加輸出：86、87、88 等。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)實(shí)驗(yàn)原理。 (2)繪制相應(yīng)的時(shí)序波形圖。 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、討論。五思考題分支和轉(zhuǎn)移程序與順序程序有何區(qū)別？要實(shí)現(xiàn)程序的分支和轉(zhuǎn)移，需要對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC 和地址寄存器AR 作怎樣的操作？應(yīng)改變哪些控制信號(hào)，請(qǐng)?jiān)趯?shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移的功能。3.微控制器組成實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握微程序控制器的工作原理和構(gòu)成原理 2掌握微程序的編寫、輸入，觀察微程序的運(yùn)行。二實(shí)驗(yàn)原理1微程序控制電路實(shí)驗(yàn)課件參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / 實(shí)驗(yàn)4-3.ppt實(shí)驗(yàn)示例參考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt4 / DEMO_4_3_uC微程序控制器的組成如圖4-3-1。其中控制存儲(chǔ)器由FPGA 中的LPM_ROM 構(gòu)成，輸出24 位控制信號(hào)。在24 位控制信號(hào)中，微命令信號(hào)18 位，微地址信號(hào)6 位。在不判別測(cè)試的情況下，在T2 時(shí)刻將打入微地址寄存器uA 的內(nèi)容，即為下一條微指令地址。當(dāng)T4 時(shí)刻進(jìn)行測(cè)試判別時(shí)，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通，過強(qiáng)制端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。微程序控制器中的微控制代碼可以通過對(duì)FPGA 中LPM_ROM 的配置進(jìn)行輸入，通過編輯LPM_ROM.mif文件修改微控制代碼。詳細(xì)情況可參考實(shí)驗(yàn)三中FPGA 中LPM_ROM 的配置方法。微指令控制電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-3-2 所示。三實(shí)驗(yàn)步驟1微指令控制電路實(shí)驗(yàn)。下載se5_1.sof 到實(shí)驗(yàn)臺(tái)，或輸入圖4-3-2 微指令控制電路，并按照?qǐng)D中說明鎖定引腳。編譯、下載到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模式No.1。鍵盤/顯示定義如下：1）鍵1、鍵2 輸入6 位微指令數(shù)據(jù)I7.2，鍵2 中的高兩位還作為標(biāo)志位FC、FZ；2）鍵3 輸入分支控制信號(hào)P4.1 ; 3）鍵4 輸入控制臺(tái)的控制信號(hào)SWA、SWB ；4）鍵8 輸入節(jié)拍信號(hào)T4 ； 4） 數(shù)碼5、數(shù)碼6 顯示微地址控制信號(hào)SE6.1。根據(jù)微程序控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄當(dāng)FC、FZ 變化時(shí)，微指令I(lǐng)7.2的變化，對(duì)輸出微地址控制信號(hào)SE6.1的影響；觀察、記錄當(dāng)微指令I(lǐng)7.2的值變化時(shí)，SE6.1的變化情況；觀察、記錄分支信號(hào)P4.1有效時(shí)，微指令I(lǐng)7.2的變化對(duì)輸出微地址控制信號(hào)SE6.1的影響；觀察、記錄SWA、SWB 對(duì)輸出微地址控制信號(hào)SE6.1的影響。2微地址寄存器電路實(shí)驗(yàn)。下載se6_1.sof 到實(shí)驗(yàn)臺(tái)。或按照?qǐng)D3-3-3 中說明鎖定引腳，編譯、下載到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模式No.1。鍵盤/顯示定義如下：1） 鍵1、鍵2 輸入D 觸發(fā)器數(shù)據(jù)d6.1 ;2）鍵4、鍵3 輸入D 觸發(fā)器置“1”控制信號(hào)S6.1，低電平有效；3）鍵7 輸入D 觸發(fā)器復(fù)位（清零）控制信號(hào)，低電平有效；4）鍵8 輸入時(shí)鐘信號(hào)CLK ； 5）數(shù)碼7、8 顯示D 觸發(fā)器輸出信號(hào)q6.1。觀察記錄微地址寄存器在正常工作情況下，由d6.1輸入、q6.1輸出的微地址實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及在發(fā)生控制/轉(zhuǎn)移情況下，當(dāng)s6.1信號(hào)有效時(shí)，q6.1 輸出的微地址發(fā)生變化的情況。3微地址譯碼器實(shí)驗(yàn)下載ldr0_2.sof 到實(shí)驗(yàn)臺(tái)（打開相應(yīng)的工程文件ldr0_2.gdf，觀察其原理圖和引腳鎖定情況）?；虬凑?qǐng)D4-3-4 中說明鎖定引腳，編譯、下載到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模式No.5。觀察、記錄微指令信號(hào)中I3.0 的變化、控制信號(hào)LDRI、RD_B、