計算機組成原理微程序設計

計算機組成原理微程序設計第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四一、實驗目的：

1.掌握時序產(chǎn)生器的組成及工作原理；掌握微程序控制器的組成及工作原理；2.根據(jù)給出的指令系統(tǒng)、微指令格式、微命令的字段譯碼方案、地址轉移邏輯電路分別設計部分微程序流程圖、微指令的二進制代碼；3.掌握微程序的編制、寫入和讀出驗證的方法；4.根據(jù)給出的匯編語言和機器語言源程序，通過改變SE1～SE6的值，模擬P(1)測試，觀察微程序的運行過程，掌握由微程序解釋機器語言源程序的工作原理。

第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗設備

TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。

第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三、實驗內(nèi)容

1.實驗原理實驗所用的時序電路原理如圖5-1所示，可產(chǎn)生4個等間隔的時序信號TS1-TS4，其中φ為時鐘信號，由實驗臺左上方的方波信號源提供，可產(chǎn)生頻率及脈寬可調(diào)的方波信號。學生可根據(jù)實驗自行選擇方波信號的頻率及脈寬。為了便于控制程序的運行，時序電路發(fā)生器也設置了一個啟?？刂朴|發(fā)器Cr，使TS1-TS4信號輸出可控。圖5-1中STEP（單步）、STOP（停機）分別是來自實驗臺上方中部的兩個二進制開關STEP、STOP的模擬信號。START鍵是來自實驗板上方中部的一個微動開關START的按鍵信號。當STEP的開關為0時（EXEC），一旦按下啟動鍵，運行觸發(fā)器Cr一直處于“1”狀態(tài)，因此時序信號TS1-TS4將周而復始地發(fā)送出去。當STEP為1（STEP）時，一旦按下啟動鍵，機器便處于單步運行狀態(tài)，即此時只發(fā)送一個CPU周期的時序信號就停機。利用單步方式，每次只讀一條微指令，可以觀察微指令的代碼與當前微指令的執(zhí)行結果。另外，當機器連續(xù)運行時，如果STOP開關置“1”(STOP)，也會使機器停機。

第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四由于時序電路的內(nèi)部線路已經(jīng)連好，所以只需將時序電路與方波信號源連接(即將時序電路的時鐘脈沖輸入端φ接至方波信號發(fā)生器輸出端H23)，時序電路的CLR已接至實驗板右下方的CLR模擬開關上。2.微程序控制電路與微指令格式（1）微程序控制電路微程序控制器的組成見圖5-2，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（74LS273）和一片4D（74LS175）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（74LS74）組成，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的微地址。當T4時刻進行測試判別時，轉移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成微地址的多路轉移功能。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四在該實驗電路中設有一個編程開關（位于實驗臺中部上方）,它具有三種狀態(tài)：PROM（編程）、READ(校驗)、RUN（運行）。當處于“編程狀態(tài)”時，學生可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入到控制存儲器2816中。當處于“校驗狀態(tài)”時，可以對寫入控制存儲器中的二進制代碼進行驗證，從而可以判斷寫入的二進制代碼是否正確。當處于“運行狀態(tài)”時，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，目的是隔離觸發(fā)器的輸出，增加抗干擾能力，并用來驅動微地址顯示燈。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（2）微指令格式微指令字長共24位，其微指令格式及每位的功能如表5-1所示。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

其中UA5-UA0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出多位。C字段中的P（1）-P（4）是四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，其原理如圖5-3所示，圖中I7-I2為指令寄存器的第7-2位輸出，SE6-SE1為微程序控制器單元微地址鎖存器的異步置“1”輸入端。AR為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為低電零有效。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號(均為低電平有效)，其功能是根據(jù)機器指令來進行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理如圖5-4，圖中I0-I3為指令寄存器的第0-3位，LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位，高電平有效。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四說明：指令格式中IN指令為單字長（8位）指令，其它指令為雙字長指令（16位），指令格式中給出了各條指令的操作碼編碼，Rs為源寄存器編碼（共2位），Rd為目的寄存器編碼（共2位）。

4.實驗步驟（1）圖5-5給出了幾條機器指令對應的參考微程序流程圖，設計ADD和JMP機器指令對應的微程序流程圖，將有關的微程序按微指令格式編寫二進制代碼，填入表5-2所示的二進制代碼表。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四表5-2微指令的二進制代碼表

第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（2）按圖5-6連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。

時序電路中的“STOP”開關置為“RUN”,“STEP”開關置為“EXEC”。按動START按鍵。

第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（4）觀察微程序控制器的工作原理：①編程A.將編程開關置為PROM（編程）狀態(tài)；B.將實驗板上“STATEUNIT”中的“STEP”置為“STEP”,“STOP”置為“RUN”狀態(tài)；C.用二進制模擬開關置微地址MA5-MA0；D.在MK24-MK1開關上置微代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關量為“0”時燈亮，開關量為“1”時燈滅；E.啟動時序電路（按動啟動按鈕“START”）,即將微代碼寫入到E2PROM（2816）的相應地址對應的單元中；F.重復C-E步驟，將表5-2的微代碼寫入到2816。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四②校驗A.將編程開關設置為READ(校驗)狀態(tài)；B.將實驗板的“STEP”開關置為“STEP”狀態(tài)，“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)；C.用二進制開關置好微地址MA5－MA0；D.按動“START”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD24-MD1的狀態(tài)（燈亮為“0”，燈滅為“1”），檢查讀出的微代碼是否與寫入的相同。如果不同，則將開關置于PROM編程狀態(tài)，重新執(zhí)行①即可。

第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四③單步運行A.將編程開關置于“RUN(運行)”狀態(tài)；B.將實驗板的“STEP”開關置為“STEP”狀態(tài)，“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)；C.操作CLR開關（撥動開關在實驗板右下角）使CLR信號1－>0->1,微地址寄存器MA5-MA0清零，從而明確本機的運行入口微地址為000000（二進制）；D.按動“START”鍵，啟動時序電路，則每按動一次啟動鍵，讀出一條微指令后停機，此時實驗臺上的微地址顯示燈和微命令顯示燈將顯示所讀出的一條指令。注意：在當前條件下，可將“MICR0-CONTROLLER”單元的SE6-SE1接至“SWITCHUNIT”中的S3-Cn對應二進制開關上（即：將SE1-SE6對應二進制開關置為“1”），當需要人為設置分支地址時，可通過強制端SE1-SE6人為設置分支地址，將某個或某幾個二進制開關置為“0”，相應的微地址位即被強置為“1”，從而改變下一條微指令的地址。（二進制開關置為“0”，相應的微地址位將被強置為“1”）第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四④連續(xù)運行A.將編程開關置為“RUN(運行)”狀態(tài)；B.將實驗板的單步開關“STEP”置為“EXEC”狀態(tài)，“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)；C.使CLR從1－>0->1，此時微地址寄存器清“0”，從而給出取指微指令的入口地址為000000（二進制）；D.啟動時序電路，則可連續(xù)讀出微指令。

第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四思考題：1.為什么取指周期在這里要占用2個CPU周期？

2.在解釋OUT指令時，17、25微地址的微指令所完成的操作為什么不能由一條微指令實現(xiàn)？

3.在向RAM寫入機器碼時，24、30微地址的微指令所完