微程序控制器組與微程序設計實驗報告

1、課程名稱：計算機組成原理實驗項目名稱：微程序控制器組成與微程序設計實驗成績:一、實驗目的指導老師（簽名）:（1）掌握微程序控制器的組成原理。（2）掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行過程。 、實驗設備與器件PC機一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。三、實驗原理微程序控制器的基本任務是完成當前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯 部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合 進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為

2、微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱 為控制存儲器，微程序控制器原理框圖如圖3-2-1所示。圖3-2-1微程序控制器組成原理框圖控制器是嚴格按照系統(tǒng)時序來工作的，因而時序控制對于控制器的設計是非常重要的，從前面的實驗可以 很清楚地了解時序電路的工作原理，本實驗所用的時序由時序單元來提供，分為四拍TS1、TS2、TS3、TS4，2。時序單元的介紹見附錄微程序控制器的組成見圖3-2-2，其中控制存儲器采用3片2816的E2pROM，具有掉電保護功能，微命令寄存器18位，用兩片8D觸發(fā)器（273）和一片4D（ 175）觸發(fā)器 組成。微地址寄存器 6位，用三片正沿觸發(fā) 的雙D觸發(fā)器（74）組成，

3、它們帶有清“ 0”端和預置端。在不判別測試的情況下，T2時刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當T4時刻進行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸岀的負脈沖通過強置端將3-2-2微程序控制器原理圖KK3、KK4、KK5 （位于時序與操作臺單元），可實現(xiàn)對存儲 器（包校驗、運行。考慮到對于存儲器（包括存儲器和控制存儲器）的 實驗平臺提供了便利的手動操作方式。以向00H單元中寫入某一觸發(fā)器置為“ 1”狀態(tài)，完成地址修改。圖在實驗平臺中設有一組編程控制開關 括存儲器和控制存儲器）的三種操作：編程、 操作大多集中在一個地址連續(xù)的存儲空間中，332211為例，對于控制存儲器進行編輯的具體操作步驟如下

4、：首先將KK1撥至停止檔、 KK3撥至編存單元首地址 作臺單元的開關 的數(shù)據(jù)），此時（00010001）。程檔、KK4撥至控存檔、 KK5撥至置數(shù)檔，由 CON單元的SD05 SD00開關給岀需要編輯的控（000000），IN單元開關給岀該控存單元數(shù)據(jù)的低8位（00010001 ），連續(xù)兩次按動時序與操ST （第一次按動后 MC單元低8位顯示該單元以前存儲的數(shù)據(jù)，第二次按動后顯示當前改動MC 單兀的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000） ， M7M0顯示當 前數(shù)據(jù)然后將KK5撥至加 T檔，IN單元開關給岀該控存單元數(shù)據(jù)的中8位（00100010），連續(xù)兩次按動開關ST，完成對 該控

5、存單元中8位數(shù)據(jù)的修改，此時MC單元的指示燈 MA5MA0顯示當前地址（000000 ），M15 M8顯示當前數(shù)據(jù)（00100010 ）;再由IN單元開關給岀該控存單元數(shù)據(jù)的高8位（00110011 ），連續(xù)兩次按動開關 ST，完成對該控存單元高8位數(shù)據(jù)的修改此時 MC單元的指示燈 MA5 MA0顯示當前地址（000000 ），M23 M16顯示當前數(shù)據(jù)（00110011 ）。此時被編輯的控存單元地址會自動 加1 （ 01H ），由IN單 元開關依次給岀該控存單元數(shù)據(jù)的低8位、中8位和高8位配合每次開關 ST的兩次按動，即可完成對后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進行校驗，以確保編輯的正確。以校驗0

6、0H單元為例，對于控制存儲器進行校驗的具體操作步驟如下：首先將 KK1撥至停止檔、 KK3撥至校驗檔、 KK4撥至控存檔、KK5撥至置數(shù)檔。由CON單元的SD05 SD00開關給岀需要校驗的控存單元地址（000000 ），連續(xù)兩次按動開關ST，MC單元指示燈 M7 M0顯示該單元低 8位數(shù)據(jù)（00010001 ） ; KK5撥至 加1檔，再連續(xù)兩次按動開關ST，MC單元指示燈 M15 M8顯示該單元中 8位數(shù)據(jù)(00100010);再連續(xù)兩次按動開關ST，MC單元指示燈M23M16顯示該單元高 8位數(shù)據(jù)(00110011 )。再連續(xù)兩次按動開關ST，地址加1，MC單元指示燈M7 M0顯示01H

7、單元低8位數(shù)據(jù)。 如校驗的微指令岀錯，則返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)后再進行 校驗，直至確認輸入的微代碼全部準確無誤為止，完成對微指令的輸入。位于實驗平臺 MC單元左上角一列三個指示燈MC2、MC1、MC0用來指示當前操作的微程序字段，分別8位到低對應M23 M16、M15 M8、M7 M0。實驗平臺提供了比較靈活的手動操作方式，比如在上述操作中 在對地址置數(shù)后將開關KK4撥至減1 檔，則每次隨著開關ST的兩次撥動操作，字節(jié)數(shù)依次從高8位遞減，減至低 8位后，再按動兩次開關 ST，微地址會自動減一，繼續(xù)對下一個單元的操作。微指令字長共24位，控制位順序如表3-2-1 :表3-2-1微指令格式

8、其中MA5MA0為6位的后續(xù)微地址， A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼岀多位。1712為IR單元的段中 的P為測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地址入口， 從而實現(xiàn)完成對指令的識別，并實現(xiàn)微程序的分支，本系統(tǒng)上的指令譯碼原理如圖3-2-3所示，圖中指令寄存器的第 72位輸岀，SE5SE0為微控器單元微地址鎖存器的強置端輸岀，指令譯碼邏輯在INS_DEC ( GAL20V8 )中實現(xiàn)。3-2-1中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制從圖3-2-2中也可以看岀，微控器產(chǎn)生的控制信號比表信號也不一樣，本實驗只用了部分的控制信號。IR)和通用寄存器

9、 R0外，還要用到IN和OUT單元，從微控器岀來的信號所以對這兩個單元的讀寫信號還應先經(jīng)過譯碼，其譯碼原理如圖3-2-4所示，R0單元原理如圖 3-2-7所示，IN單元的原理圖見圖2-1-3所示，OUT本實驗除了用到指令寄存器( 中只有IOM、WR和RD三個信號， 示。IR單元的原理圖如圖 3-2-5所 單元的原理圖見圖 3-2-6所示。圖3-2-3指令譯碼原理圖圖3-2-4 讀寫控制邏輯圖3-2-5 IR單元原理圖圖3-2-6 OUT單元原理圖圖3-2-7 R0原理圖本實驗安排了四條機器指令，分別為ADD ( 0000 0000八IN ( 0010 0000 )、OUT ( 0011 000

10、0 )和HLT ( 01010000)，括號中為各指令的二進制代碼，指令格式如下：實驗中機器指令由CON單元的二進制開關手動給岀，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產(chǎn)生，為此可以設計岀相應的數(shù)據(jù)通路圖，見圖3-2-8所示。幾條機器指令對應的參考微程序流程圖如圖3-2-9所示。圖中一個矩形方框表示一條微指令，方框中的內(nèi)容為該指令執(zhí)行的微操作，右上角的數(shù)字是該條指令的微地址，右下角的數(shù)字是該條指令的后續(xù)微地址，所有 微地址均用16進制表示。向下的箭頭指岀了下一條要執(zhí)行的指令。P為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。圖3-2-8數(shù)據(jù)通路圖圖3-2-9微程序流程圖將全部微程序按微指令格式變成二進制微

11、代碼，可得到表3-2-2的二進制代碼表。表3-2-2 二進制微代碼表地址十六進制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000

12、013500 00 35000000000000000000110101四、實 驗 內(nèi) 容 與 步 驟1. 按圖 3-2-10 所示連接實驗線路,仔細查線無誤后接通電源。如果有滴報警聲,說明總線有競爭現(xiàn) 象,應關閉電源,檢查接線,直到錯誤排除。圖 3-2-10 實驗接線圖2. 對微控器進行讀寫操作,分兩種情況：手動讀寫和聯(lián)機讀寫。1) 手動讀寫(1) 手動對微控器進行編程(寫) 將時序與操作臺單元的開關KK1置為停止檔，KK3置為編程檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05 SD00給岀微地址，IN單元給岀低8位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關ST，將IN

13、單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關KK5置為加 T檔。 IN 單元給岀中 8 位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關 的中 8 位。 IN 單元給岀高 8 位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關 單元的高 8 位。 重復、四步，將表3-2-2的微代碼寫入2816芯片中。(2) 手動對微控器進行校驗(讀) 將時序與操作臺單元的開關KK1置為停止檔， KK3置為校驗檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CONS元的SD05 SD00給岀微地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關示燈M7M0顯示該單元的低 8位。 將時序與操作臺單元的開關KK5置為加T檔。

14、連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關ST，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23 M16顯示該單元的高 8位。 重復、四步，完成對微代碼的校驗。如果校驗岀微代碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直 至確認微指令的輸入無誤為止。2) 聯(lián)機讀寫(1) 將微程序?qū)懭胛募?聯(lián)機軟件提供了微程序下載功能，以代替手動讀寫微控器，但微程序得以指定的格式寫入到以的文件中，微程序的格式如下：如$M 1F 112233，表示微指令的地址為 1FH,微指令值為 11H (高)、22H (中八 33H (低)， 微程序如下，其中分號；為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉。(2) 寫入微程序用聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】一【裝

15、載】”功能將該格式(*.TXT )文件裝載入實驗系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸岀區(qū)的結(jié)果欄會顯示裝載信息，如當前正在裝載的是機器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(3) 校驗微程序選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】一【刷新指令區(qū)】”可以讀岀下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯 檢查微控器相應地址單元的數(shù)據(jù)是否和表3-2-2 中的十六進制數(shù)據(jù)相同，如果不同，則說明寫入操作失應重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨修改某個單元的微指令，先用鼠標左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB 按然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸? 位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元ST,將IN單

16、元的數(shù)據(jù)寫到該ST, MC單元的指數(shù)據(jù)指M15M8顯示該單元的中8 位, MC單TXT為后綴本次實驗的示。敗，鈕， 示寫入的數(shù)據(jù)。; /*; /; /; /; /; /微控器實驗指令文件By TangDu CO.,LTD/KK1、KK3置為運行檔，按動CON單元的CLR按鈕，將微地址寄存器IR）、ALU單元的暫存器 A和暫存器B清零。KK2置為單拍檔，然后按動ST按鈕，體會系統(tǒng)在 T1、T2、T3、T4節(jié)01000110。3-2-8 所示。R0 的操作，這里要記得將 OUT 單元的輸入門關上，不然就會顯示出很進行算數(shù)邏輯運算 A+B ，將結(jié)果賦給 R0：01010000 就是停機指令; /*;

17、 /* Start Of MicroController Data *$M 00 000001; NOP$M 01 007070; CON(INS)-IR, P$M 04 002405; R0-B$M 05 04B201; A 加 B-R0$M 30 001404; R0-A$M 32 183001; IN-R0$M 33 280401; R0-OUT$M 35 000035; NOP; /* End Of MicroController Data *3. 運行微程序運行時也分兩種情況：本機運行和聯(lián)機運行。1）本機運行 將時序與操作臺單元的開關（MAR清零，同時也將指令寄存器（ 將時序與操作臺

18、單元的開關 拍中各做的工作。 T2 節(jié)拍微控器將后續(xù)微地址（下條執(zhí)行的微指令的地址）打入微地址寄存器，當前微指令打 入微指令寄存器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應的控制信號； T3、 T4 節(jié)拍根據(jù) T2 節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號做出相應的執(zhí)行 動作，如果測試位有效，還要根據(jù)機器指令及當前微地址寄存器中的內(nèi)容進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地 址入口，實現(xiàn)微程序的分支。 按動CON單元的CLR按鈕，清微地址寄存器（ MAR等，并將時序與單元的開關KK2置為單步檔。 置IN單元數(shù)據(jù)為00100011，按動ST按鈕，當 MC單元后續(xù)微地址顯示為 000001時，在CON單元的 SD27SD20模擬給岀IN指令00100000并繼續(xù)單步執(zhí)行，當 MC單元后續(xù)微地址顯示為 000001時，說明當前指 令已執(zhí)行完；在 CON單元的SD27SD20給岀ADD旨令00000000，該指令將會在下個 T3被打入指令寄存器 （IR ）， 它將R0中的數(shù)據(jù)和其自身相加后送 R0;接下來在 CON單元的SD27SD20給岀OUT指令00110000并繼續(xù)單步 執(zhí)行，在 MC單元后續(xù)微地址顯示為 000001時，觀查OUT單元