微程序控制器實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目微程序控制器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2015年10月31日實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握微程序控制器的組成原理。(2) 掌握微程序的編制、寫(xiě)入，觀察微程序的運(yùn)行過(guò)程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TD-CMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套實(shí)驗(yàn)原理微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)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(dòng)作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)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(gè)微指令序列表示一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲(chǔ)在一種專用的存儲(chǔ)器中，稱為控制存儲(chǔ)器,微程

2、序控制器原理框圖如圖3-2-1 所示。控制器是嚴(yán)格按照系統(tǒng)時(shí)序來(lái)工作的，因而時(shí)序控制對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)是非常重要的，從前面的實(shí)驗(yàn)可以很清楚地了解時(shí)序電路的工作原理，本實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)序由時(shí)序單元來(lái)提供，分為四拍TS1、TS2、TS3、TS4，時(shí)序單元的介紹見(jiàn)附錄2。微程序控制器的組成見(jiàn)圖3-2-2，其中控制存儲(chǔ)器采用3 片2816 的E2PROM，具有掉電保護(hù)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，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測(cè)試的情況下，T2 時(shí)刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微

3、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(guò)強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)有一組編程控制開(kāi)關(guān)KK3、KK4、KK5（位于時(shí)序與操作臺(tái)單元），可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的三種操作：編程、校驗(yàn)、運(yùn)行?？紤]到對(duì)于存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的操作大多集中在一個(gè)地址連續(xù)的存儲(chǔ)空間中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了便利的手動(dòng)操作方式。以向00H 單元中寫(xiě)入332211 為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行編輯的具體操作步驟如下：首先將KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔，由CON 單元的SD05SD00 開(kāi)關(guān)給出

4、需要編輯的控存單元首地址（000000），IN 單元開(kāi)關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的低8 位（00010001），連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)ST（第一次按動(dòng)后MC 單元低8 位顯示該單元以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，第二次按動(dòng)后顯示當(dāng)前改動(dòng)的數(shù)據(jù)），此時(shí)MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M7M0 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00010001）。然后將KK5 撥至加1檔，IN 單元開(kāi)關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的中8 位（00100010），連續(xù)兩次按動(dòng)開(kāi)關(guān)ST，完成對(duì)該控存單元中8 位數(shù)據(jù)的修改，此時(shí)MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M15M8 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（0010001

5、0）；再由IN 單元開(kāi)關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的高8 位（00110011），連續(xù)兩次按動(dòng)開(kāi)關(guān)ST，完成對(duì)該控存單元高8 位數(shù)據(jù)的修改此時(shí)MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M23M16 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00110011）。此時(shí)被編輯的控存單元地址會(huì)自動(dòng)加1（01H），由IN 單元開(kāi)關(guān)依次給出該控存單元數(shù)據(jù)的低8 位、中8 位和高8 位配合每次開(kāi)關(guān)ST 的兩次按動(dòng)，即可完成對(duì)后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進(jìn)行校驗(yàn)，以確保編輯的正確。以校驗(yàn)00H 單元為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行校驗(yàn)的具體操作步驟如下：首先將KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗(yàn)檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置

6、數(shù)檔。由CON 單元的SD05SD00 開(kāi)關(guān)給出需要校驗(yàn)的控存單元地址（000000），連續(xù)兩次按動(dòng)開(kāi)關(guān)ST，MC 單元指示燈M7M0 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(dòng)開(kāi)關(guān)ST，MC 單元指示燈M15M8 顯示該單元中8 位數(shù)據(jù)（00100010）；再連續(xù)兩次按動(dòng)開(kāi)關(guān)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(dòng)開(kāi)關(guān)ST，地址加1，MC 單元指示燈M7M0 顯示01H 單元低8 位數(shù)據(jù)。如校驗(yàn)的微指令出錯(cuò)，則返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行校驗(yàn)，直至確認(rèn)輸入的微代碼全部準(zhǔn)確無(wú)誤為止，完成對(duì)微指令

7、的輸入。位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MC 單元左上角一列三個(gè)指示燈MC2、MC1、MC0 用來(lái)指示當(dāng)前操作的微程序字段，分別對(duì)應(yīng)M23M16、M15M8、M7M0。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了比較靈活的手動(dòng)操作方式，比如在上述操作中在對(duì)地址置數(shù)后將開(kāi)關(guān)KK4 撥至減1檔，則每次隨著開(kāi)關(guān)ST 的兩次撥動(dòng)操作，字節(jié)數(shù)依次從高8 位到低8 位遞減，減至低8 位后，再按動(dòng)兩次開(kāi)關(guān)ST，微地址會(huì)自動(dòng)減一，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)單元的操作。微指令字長(zhǎng)共24 位，控制位順序如表3-2-1：其中MA5MA0 為6 位的后續(xù)微地址，A、B、C 為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出多位。C 字段中的P<1>為測(cè)試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令

8、及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)完成對(duì)指令的識(shí)別，并實(shí)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I7I2 為指令寄存器的第72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出，指令譯碼邏輯在IR 單元的INS_DEC（GAL20V8）中實(shí)現(xiàn)。從圖3-2-2 中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號(hào)比表3-2-1 中的要多，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的不同，所需的控制信號(hào)也不一樣，本實(shí)驗(yàn)只用了部分的控制信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器R0 外，還要用到IN 和OUT 單元，從微控器出來(lái)的信號(hào)中只有IOM、WR 和RD 三個(gè)信號(hào)，所以對(duì)這

9、兩個(gè)單元的讀寫(xiě)信號(hào)還應(yīng)先經(jīng)過(guò)譯碼，其譯碼原理如圖3-2-4 所示。IR 單元的原理圖如圖3-2-5 所示，R0 單元原理如圖3-2-7 所示，IN 單元的原理圖見(jiàn)圖2-1-3 所示，OUT 單元的原理圖見(jiàn)圖3-2-6 所示。實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令由CON 單元的二進(jìn)制開(kāi)關(guān)手動(dòng)給出，其余單元的控制信號(hào)均由微程序控制器自動(dòng)產(chǎn)生，為此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見(jiàn)圖3-2-8 所示。幾條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的參考微程序流程圖如圖3-2-9 所示。圖中一個(gè)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(jìn)制表示。向下的箭

10、頭指出了下一條要執(zhí)行的指令。P<1>為測(cè)試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。實(shí)驗(yàn)原理將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制微代碼，可得到表 3-2-2 的二進(jìn)制代碼表。 實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖3-2-10所示連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無(wú)誤后接通電源。如果有滴報(bào)警聲，說(shuō)明總線有競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。2. 對(duì)微控器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，分兩種情況：手動(dòng)讀寫(xiě)和聯(lián)機(jī)讀寫(xiě)。1) 手動(dòng)讀寫(xiě)(1) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行編程（寫(xiě)） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)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SD05SD00給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，

11、連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的低8位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為加1檔。IN單元給出中8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的中8位。IN單元給出高8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的高8位。 重復(fù)、四步，將表3-2-2的微代碼寫(xiě)入2816芯片中。(2) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行校驗(yàn)（讀） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為校驗(yàn)檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，MC單

12、元的指數(shù)據(jù)指示燈M7M0顯示該單元的低8位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M15M8顯示該單元的中8位，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M23M16顯示該單元的高8位。 重復(fù)、四步，完成對(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫(xiě)入錯(cuò)誤，重新寫(xiě)入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無(wú)誤為止。2) 聯(lián)機(jī)讀寫(xiě)(1) 將微程序?qū)懭胛募?lián)機(jī)軟件提供了微程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫(xiě)微控器，但微程序得以指定的格式寫(xiě)入到以TXT為后綴的文件中，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）、33H（低

13、），本次實(shí)驗(yàn)的微程序如下，其中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉。(2) 寫(xiě)入微程序用聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。裝入過(guò)程中，在軟件的輸出區(qū)的結(jié)果欄會(huì)顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機(jī)器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(3) 校驗(yàn)微程序選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)是否和表3-2-2中的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)相同，如果不同，則說(shuō)明寫(xiě)入操作失敗，應(yīng)重新寫(xiě)入，可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的微指令，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB按鈕，然后再單擊需修

14、改單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車(chē)，編輯框消失，并以紅色顯示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。3. 運(yùn)行微程序運(yùn)行時(shí)也分兩種情況：本機(jī)運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。1) 本機(jī)運(yùn)行 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1、KK3置為運(yùn)行檔，按動(dòng)CON單元的CLR按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時(shí)也將指令寄存器（IR）、ALU單元的暫存器A和暫存器B清零。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK2置為單拍檔，然后按動(dòng)ST按鈕，體會(huì)系統(tǒng)在T1、T2、T3、T4節(jié)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(dāng)前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號(hào)；T3、T4節(jié)拍根據(jù)T2節(jié)

15、拍產(chǎn)生的控制信號(hào)做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，如果測(cè)試位有效，還要根據(jù)機(jī)器指令及當(dāng)前微地址寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實(shí)現(xiàn)微程序的分支。 按動(dòng)CON單元的CLR按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時(shí)序與單元的開(kāi)關(guān)KK2置為單步檔。 置IN單元數(shù)據(jù)為00100011，按動(dòng)ST按鈕，當(dāng)MC單元后續(xù)微地址顯示為000001時(shí)，在CON單元的SD27SD20模擬給出IN指令00100000并繼續(xù)單步執(zhí)行，當(dāng)MC單元后續(xù)微地址顯示為000001時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在CON單元的SD27SD20給出ADD指令00000000，該指令將會(huì)在下個(gè)T3被打入指令寄存器（IR），它將R0中

16、的數(shù)據(jù)和其自身相加后送R0；接下來(lái)在CON單元的SD27SD20給出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(shí)，觀查OUT單元的顯示值是否為01000110。2) 聯(lián)機(jī)運(yùn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入軟件界面，在菜單上選擇【實(shí)驗(yàn)】【微控器實(shí)驗(yàn)】，打開(kāi)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，也可以通過(guò)工具欄上的下拉框打開(kāi)數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖3-2-8所示。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1、KK3置為運(yùn)行檔，按動(dòng)CON單元的總清開(kāi)關(guān)后，按動(dòng)軟件中單節(jié)拍按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址（通路圖中的MAR）為000001 時(shí)，置CON單元SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器指令，該指令將會(huì)在下個(gè)T3被打入

17、指令寄存器（IR），在后面的節(jié)拍中將執(zhí)行這條機(jī)器指令。仔細(xì)觀察每條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程，體會(huì)后續(xù)微地址被強(qiáng)置轉(zhuǎn)換的過(guò)程，這是計(jì)算機(jī)識(shí)別和執(zhí)行指令的根基。也可以打開(kāi)微程序流程圖，跟蹤顯示每條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程。按本機(jī)運(yùn)行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運(yùn)算結(jié)果是否正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入數(shù)據(jù)助記符機(jī)器指令代碼結(jié)果備注00010001IN0010 0000R0=11從IN單元讀入數(shù)據(jù)到R0中ADD0000 0000R0=22R0和自身相加結(jié)果送到R0中OUT0011 0000OUT=22把R0的數(shù)據(jù)傳送到OUT單元顯示HLT0101 0000停機(jī)操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示：結(jié)果分析在IN單元中輸入數(shù)據(jù)00010001，使用CON 單元的SD27SD20 給出指令I(lǐng)N、ADD、OUT、TMP、HLT的數(shù)據(jù)00100000、00000000、00110000、01010000，連續(xù)按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，觀察電腦中的數(shù)據(jù)通路圖記錄數(shù)據(jù)。（1）當(dāng)CON單元輸入指令代碼00100000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中IN中的數(shù)據(jù)傳送到R0中，R0中顯示R0=11，實(shí)現(xiàn)了從IN單元讀入數(shù)據(jù)傳送到R0中過(guò)程。（2）當(dāng)CON單元輸入指令代碼00000000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中A=11、B=11通過(guò)ALU運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)自加后把結(jié)果傳送給R0，R0中顯示R0=22，