計(jì)算機(jī)組成原理和組成結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)組成原理1一、實(shí)訓(xùn)目的1．了解運(yùn)算器的組成結(jié)構(gòu)。2．掌握運(yùn)算器的工作原理。3．掌握簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸方式。4．驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器(74LS181)及進(jìn)位控制的組合功能。計(jì)算機(jī)組成原理2二、實(shí)訓(xùn)要求完成不帶進(jìn)位及帶進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算訓(xùn)練，了解算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)用。三、實(shí)訓(xùn)原理1．運(yùn)算器的設(shè)計(jì)原理（1）使用基本的門電路構(gòu)成1位全加器。（2）利用進(jìn)位傳遞邏輯將其構(gòu)成N位并行加法器。（3）利用多路選擇邏輯實(shí)現(xiàn)多種輸入輸出組合選擇，使加法器擴(kuò)展為多功能的算術(shù)邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)組成原理3（4）利用多路選擇邏輯實(shí)現(xiàn)移位功能。（5）使用加法器與移位器組合構(gòu)成乘法器和除法器。（6）使用兩個(gè)（定點(diǎn)）運(yùn)算器部件的組合則可構(gòu)成一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器。2．74LS181運(yùn)算器

74LS181是一個(gè)四位ALU單元，它是由4個(gè)一位全加器以及進(jìn)位電路構(gòu)成。下面給出了正邏輯74LS181的邏輯圖如圖10-1所示，其功能表見表10-1。計(jì)算機(jī)組成原理4圖10-1正邏輯74LS181的邏輯圖計(jì)算機(jī)組成原理5S3S2S1S0M=0(算術(shù)運(yùn)算)M=1(邏輯運(yùn)算)Cn＝1（無進(jìn)位）Cn＝0（有進(jìn)位）0000F=AF=A+1F=A0001F=A|BF=(A|B)+1F=A|B0010F=A|BF=(A|B)+1F=AB0011F=0-1F=0F=00100F=A+ABF=A+AB+1F=AB0101F=AB+(A|B)F=AB+(A|B)+1F=B0110F=A-B-1F=A-BF=A⊕B0111F=AB-1F=ABF=AB1000F=A+ABF=A+AB+1F=A+B1001F=A+BF=A+B+1F=A⊕B1010F=AB+(A|B)F=AB+(A|B)+1F=B1011F=AB-1F=ABF=AB1100F=A+AF=A+A+1F=11101F=A+(A|B)F=A+(A|B)+1F=A+B1110F=A(A|B)F=A+(A+B)+1F=A+B1111F=A-1F=AF=A

表10-174LS181邏輯功能表(注意：“＋”為算術(shù)加，“|”為邏輯或，“－”為算術(shù)減。)計(jì)算機(jī)組成原理6四、實(shí)訓(xùn)電路1.基本運(yùn)算部件圖10-2所示的是由兩片74LS181芯片構(gòu)成的8位字長的運(yùn)算器。右方為低4位運(yùn)算芯片，左方為高4位運(yùn)算芯片。低位芯片的進(jìn)位輸出端Cn+4與高位芯片的進(jìn)位輸入端Cn相連，高位芯片的輸出端Cn+4可連至進(jìn)位鎖存電路，以保存此進(jìn)位。兩個(gè)芯片的控制端S0～S3和M各自相連，其控制電平如表10-1。計(jì)算機(jī)組成原理7

為進(jìn)行雙操作數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端分別由兩個(gè)數(shù)據(jù)暫存器DR1、DR2（74LS273實(shí)現(xiàn)）來鎖存數(shù)據(jù)。要將內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)鎖存到DR1或DR2中，則鎖存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2須為高電平。當(dāng)T4脈沖來到的時(shí)候，總線上的數(shù)據(jù)就被鎖存進(jìn)DR1或DR2中了。為了控制運(yùn)算器向內(nèi)總線上輸出運(yùn)算結(jié)果，在其輸出端連接了一個(gè)三態(tài)門（74LS245實(shí)現(xiàn)）。若要將運(yùn)算結(jié)果輸出到總線上，則要將三態(tài)門74LS245的控制端ALU-B置低電平。計(jì)算機(jī)組成原理82．進(jìn)位控制運(yùn)算部件在圖10-2的基礎(chǔ)上增加進(jìn)位控制部分,可設(shè)計(jì)出進(jìn)位控制運(yùn)算部件實(shí)訓(xùn)原理圖如圖10-3所示。其中181的進(jìn)位進(jìn)入一個(gè)74LS74鎖存器，其寫入是由T4和AR信號控制，T4是脈沖信號，實(shí)驗(yàn)時(shí)將T4連至“STATEUNIT”的微動開關(guān)KK2上。AR是電平控制信號（低電平有效），可用于實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)，而T4脈沖是將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果鎖存到進(jìn)位鎖存器中。計(jì)算機(jī)組成原理9（下面兩個(gè)圖中S0、S1、S2、S3只和兩片181連接，不連245）

圖10-2運(yùn)算器實(shí)訓(xùn)原理圖計(jì)算機(jī)組成原理10圖10-3進(jìn)位控制實(shí)訓(xùn)原理圖計(jì)算機(jī)組成原理11五、實(shí)訓(xùn)步驟1．算術(shù)邏輯運(yùn)算（1）實(shí)訓(xùn)說明實(shí)訓(xùn)電路如圖10-2所示。其中運(yùn)算器由兩片74LS181構(gòu)成8位字長的ALU。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門（74LS245）到AUJ3插座，再通過連接排線連接到內(nèi)總線上。運(yùn)算器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端分別由兩個(gè)鎖存器（74LS373）鎖存，鎖存器的輸入端已經(jīng)連接到內(nèi)總線上了。計(jì)算機(jī)組成原理12

數(shù)據(jù)輸入單元用以給出參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。其中輸入開關(guān)經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門（74LS245）和內(nèi)總線相連，該三態(tài)門的控制信號位SW-B，取低電平時(shí)，開關(guān)上的數(shù)據(jù)則通過三態(tài)門而送入內(nèi)總線中。總線顯示燈（在BUSUNIT單元中）已與內(nèi)總線相連，用來顯示內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)?？刂菩盘栔谐齌4為脈沖信號，其它信號均為電平信號。計(jì)算機(jī)組成原理13

由于實(shí)訓(xùn)電路中的時(shí)序信號均已連至“JTUNIT”單元中的相應(yīng)時(shí)序信號引出端，因此，需要將“JTUNIT”單元中的T4接至“STATEUNIT”單元中的微動開關(guān)KK2的輸出端。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，按動微動開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖，如圖10-4所示。

S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B，SW-B各電平控制信號則使用“SWTICHUNIT”單元中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。上述實(shí)訓(xùn)信號連接情況如圖10-4所示。計(jì)算機(jī)組成原理14圖10-4運(yùn)算器實(shí)訓(xùn)接線圖計(jì)算機(jī)組成原理15（2）操作步驟①按圖10-4連接實(shí)訓(xùn)電路并檢查無誤后打開電源開關(guān)。圖中將用戶需要連接的信號線用小圓圈標(biāo)明。②用輸入開關(guān)向暫存器DR1置數(shù)，操作流程如圖10-5所示。

a.撥動輸入開關(guān)形成二進(jìn)制數(shù)（或其它數(shù)值）。（數(shù)據(jù)顯示燈亮為0，滅為1）。

b.使SWITCHUNIT單元中的開關(guān)SW-B=0（打開數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門）、ALU-B=1（關(guān)閉ALU輸出三態(tài)門）、LDDR1=1（為打開DR1輸入準(zhǔn)備）、LDDR2=0（關(guān)閉DR2輸入）。計(jì)算機(jī)組成原理16c.按動微動開關(guān)KK2（產(chǎn)生T4脈沖信號），與LDDR1信號一起，將二進(jìn)制數(shù)置入DR1中。③輸入開關(guān)向暫存器DR2置數(shù)，操作流程如圖10-5所示。

a.撥動輸入開關(guān)形成二進(jìn)制數(shù)（或其它數(shù)值）。（數(shù)據(jù)顯示燈亮為0，滅為1）。

b.使SWITCHUNIT單元中的開關(guān)SW-B=0（打開數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門）、ALU-B=1（關(guān)閉ALU輸出三態(tài)門）、LDDR1=0（關(guān)閉DR1輸入）、LDDR2=1（為打開DR2輸入準(zhǔn)備）。

計(jì)算機(jī)組成原理17c.按動微動開關(guān)KK2（產(chǎn)生T4脈沖信號），與LDDR2信號一起，將二進(jìn)制數(shù)置入DR2中。④檢查DR1和DR2中存在的數(shù)是否正確。

a.使SWITCHUNIT單元中的開關(guān)SW-B=1（關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門）、ALU-B=0（關(guān)閉ALU輸出三態(tài)門）、LDDR1=0（關(guān)閉DR1輸入）、LDDR2=0（關(guān)閉DR2輸入）。

b.置S3、S2、S1、S0、M為11111，總線顯示燈則顯示DR1中的數(shù)。

c.置S3、S2、S1、S0、M為10101，總線顯示燈則顯示DR2中的數(shù)。計(jì)算機(jī)組成原理18⑤改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出。

a.保持SW-B、ALU-B=0保持不變。

b.按表1.1置S3、S2、S1、S0、M、Cn的數(shù)值，并觀察總線顯示燈顯示的結(jié)果。例如：置S3、S2、S1、S0、M、Cn為100101，運(yùn)算器作加法運(yùn)算置S3、S2、S1、S0、M、Cn為011000，運(yùn)算器作減法運(yùn)算。計(jì)算機(jī)組成原理19圖10-5向DR1和DR2寄存器置數(shù)操作流程計(jì)算機(jī)組成原理202.進(jìn)位控制運(yùn)算（1）實(shí)訓(xùn)說明進(jìn)位控制運(yùn)算器的實(shí)訓(xùn)原理如圖10-3所示，在算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上增加進(jìn)位控制部分，使ALU的進(jìn)位進(jìn)入到進(jìn)位鎖存器中。其寫入是由T4和AR信號控制。T4為脈沖信號；AR是電平控制信號，低電平有效。當(dāng)T4脈沖來到時(shí)，則將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果鎖存到進(jìn)位鎖存器中。計(jì)算機(jī)組成原理21圖10－6進(jìn)位控制實(shí)訓(xùn)接線（上圖方格內(nèi)豎線不需要）

計(jì)算機(jī)組成原理22（2）操作步驟①按圖10-6連接實(shí)驗(yàn)電路并檢查無誤。②打開電源開關(guān)。③用輸入開關(guān)向暫存器DR1和DR2置數(shù)。操作流程如圖10-5所示。④關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門（SW-B=1），打開ALU輸出三態(tài)門（ALU-B=0），并使LDDR1=0、LDDR2=0，關(guān)閉寄存器。⑤對進(jìn)位標(biāo)志清零。置S3、S2、S1、S0、M的狀態(tài)為00000，置AR的狀態(tài)為0。（清零時(shí)DR1中的數(shù)不應(yīng)等于FF）。按動微動開關(guān)KK2。注：進(jìn)位標(biāo)志指示燈CY亮?xí)r表示進(jìn)位標(biāo)志為“0”，無進(jìn)位；標(biāo)志指示燈CY滅時(shí)表示進(jìn)位為“1”，有進(jìn)位。計(jì)算機(jī)組成原理23⑥驗(yàn)證帶進(jìn)位運(yùn)算及進(jìn)位鎖存功能。使Cn=1，AR=0，進(jìn)行帶進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算。例如，進(jìn)行加法運(yùn)算，使ALU-B=0，S3S2S1S0M狀態(tài)為10010，此時(shí)數(shù)據(jù)總線上顯示的數(shù)據(jù)為DR1加DR2加當(dāng)前進(jìn)位標(biāo)志，這個(gè)結(jié)果是否有進(jìn)位產(chǎn)生，則要按動微動開關(guān)KK2，若進(jìn)位標(biāo)志燈亮，則無進(jìn)位，反之則有進(jìn)位。因?yàn)樽黾臃ㄟ\(yùn)算時(shí)數(shù)據(jù)總線一直顯示的數(shù)據(jù)為DR1+DR2+CY，所以當(dāng)有進(jìn)位輸入到進(jìn)位鎖存器后，總線顯示的數(shù)據(jù)為加上進(jìn)位位的結(jié)果。思考：

在8位運(yùn)算器的基礎(chǔ)上，如何設(shè)計(jì)16位運(yùn)算器？

計(jì)算機(jī)組成原理24六、練習(xí)

驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能：在給定DR1=65H、DR2=A7H的情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出，填入下表中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)組成原理25DR1DR2S3S2S1S0M=0（算術(shù)運(yùn)算）M=1（邏輯運(yùn)算）CN=1(無進(jìn)位)CN=0(有進(jìn)位)65A70000F=()F=()F=()65A70001F=()F=()F=()65A70010F=()F=()F=()65A70011F=()F=()F=()65A70100F=()F=()F=()65A70101F=()F=()F=()65A70110F=()F=()F=()65A70111F=()F=()F=()65A71000F=()F=()F=()65A71001F=()F=()F=()65A71010F=()F=()F=()65A71011F=()F=()F=()65A71100F=()F=()F=()65A71101F=()F=()F=()65A71110F=()F=()F=()65A71111F=()F=()F=()計(jì)算機(jī)組成原理26實(shí)訓(xùn)二存儲器1．熟悉存儲器和總線組成的硬件電路。

2．掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。一、實(shí)訓(xùn)目的計(jì)算機(jī)組成原理27

按照實(shí)訓(xùn)步驟完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，利用存儲器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。二、實(shí)訓(xùn)要求三、實(shí)訓(xùn)原理

半導(dǎo)體存儲芯片采用超大規(guī)模集成電路制造工藝，其結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。計(jì)算機(jī)組成原理28圖10-7半導(dǎo)體存儲芯片結(jié)構(gòu)

存儲芯片通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與外部連接。地址線是單向輸入，數(shù)據(jù)線是雙向輸入輸出，數(shù)據(jù)線和地址的位數(shù)共同反映存儲芯片的容量。例如：地址線為10根，數(shù)據(jù)線為8根，則芯片容量為210×8＝4096＝4KB。計(jì)算機(jī)組成原理29

控制線主要有讀/寫控制線WE與片選線CE兩種。讀/寫控制線決定芯片進(jìn)行讀/寫操作，片選線用來選擇存儲芯片（通常主存由多個(gè)存儲芯片構(gòu)成）。四、實(shí)訓(xùn)電路

所用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器電路原理如圖10-8所示。實(shí)訓(xùn)中的靜態(tài)存儲器由一片6116（2K×8）構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址總線由地址鎖存器（74LS273）給出，地址燈AD0～AD7與地址線相連，顯示地址線內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)一三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)組成原理30

因?yàn)榈刂芳拇嫫鳛?位，接入6116的地址A7～A0，而高三位A8～A10接地，所以其實(shí)際容量為256字節(jié)。6116有三個(gè)控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線）。當(dāng)片選有效（CE=0）時(shí)，OE=0時(shí)進(jìn)行讀操作，WE=0時(shí)進(jìn)行寫操作。本實(shí)驗(yàn)中將OE常接地，在此種情況下，當(dāng)CE=0、WE=0時(shí)進(jìn)行讀操作，CE=0、WE=1時(shí)進(jìn)行寫操作，其寫時(shí)間與T3脈沖寬度一致。操作時(shí)將T3脈沖接至實(shí)驗(yàn)板上時(shí)序電路模塊的TS3相應(yīng)插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其它電平控制信號由“SWITCHUNIT”單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。計(jì)算機(jī)組成原理31圖10-8存儲器實(shí)訓(xùn)電路圖計(jì)算機(jī)組成原理321．形成時(shí)鐘脈沖信號T3，其連線方法和操作步驟如下：（1）接通電源，用示波器接入方波信號源的輸出插孔H24,調(diào)節(jié)電位器W1，使H24端輸出實(shí)驗(yàn)所期望頻率的方波。（2）時(shí)序電路模塊中的?和H23排針相連。（3）在時(shí)序電路模塊中有兩個(gè)二進(jìn)制開關(guān)“STOP”和“STEP”。將“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)時(shí)，按動微動開關(guān)“START”，則T3輸出為連續(xù)的方波信號，此時(shí)調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實(shí)驗(yàn)要求的脈沖信號。當(dāng)“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)時(shí)，每按動一次微動開關(guān)“START”，則T3輸出一個(gè)單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。五、實(shí)訓(xùn)步驟計(jì)算機(jī)組成原理33

2．按圖10-9連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)檢查線路無誤后接通電源。由于存儲器模塊內(nèi)部的連線已經(jīng)連接好，因此只需要完成實(shí)驗(yàn)電路的形成、控制信號模擬開關(guān)、時(shí)鐘脈沖信號T3與外部存儲模塊的外部連接。計(jì)算機(jī)組成原理34圖10-9實(shí)訓(xùn)接線圖計(jì)算機(jī)組成原理353．給存儲器的00、01、02、03、04地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11、12、13、14、15，具體操作步驟如圖10-10所示（以向0號單元寫入數(shù)據(jù)11為例）：圖10-10寫入數(shù)據(jù)流程圖計(jì)算機(jī)組成原理36

依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。具體操作步驟如圖10-11所示（以向0號單元讀出數(shù)據(jù)11為例）：圖10-11讀出數(shù)據(jù)流程圖思考：

假如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要64KB容量的內(nèi)存，存儲電路該如何設(shè)計(jì)？計(jì)算機(jī)組成原理37

給存儲器的11～1A地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)，并依次讀出10個(gè)單元中的數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)燈，檢測顯示結(jié)果。

六、練習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理38實(shí)訓(xùn)三微控制器實(shí)驗(yàn)1.掌握時(shí)序產(chǎn)生器的組成原理。2.掌握微程序控制器的組成原理。3.掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行。一、實(shí)訓(xùn)目的二、實(shí)訓(xùn)要求

按照實(shí)訓(xùn)步驟完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，熟悉微程序的編碼、寫入、觀察運(yùn)行狀態(tài)。計(jì)算機(jī)組成原理39

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)傳送和各種控制操作。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(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，這種指令序列稱為微程序。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10-12所示。三、實(shí)訓(xùn)原理計(jì)算機(jī)組成原理40圖10－12微控器原理圖計(jì)算機(jī)組成原理411．時(shí)序邏輯原理實(shí)訓(xùn)所用的時(shí)序控制電路框圖如圖10-13所示，可產(chǎn)生4個(gè)等間隔的時(shí)序信號TS1～TS4，其中?為時(shí)鐘信號，由方波信號源（SIGNALUNIT）單元提供，可產(chǎn)生頻率及脈寬可調(diào)的方波信號。讀者在練習(xí)中可根據(jù)實(shí)訓(xùn)需要自行選擇方波信號的頻率及脈寬。圖中STEP和START由設(shè)計(jì)的時(shí)序控制單元（STATEUNIT）中的二進(jìn)制開關(guān)STEP和START模擬產(chǎn)生。當(dāng)STEP開關(guān)為0時(shí)，系統(tǒng)處于連續(xù)（EXEC）執(zhí)行狀態(tài)，此時(shí)按下START鍵后，時(shí)序信號TS1～TS4將周而復(fù)始地發(fā)送出去。當(dāng)STEP為1（STEP）時(shí)，此時(shí)按下START鍵后，時(shí)序信號TS1～TS4只產(chǎn)生一個(gè)周期，機(jī)器便處于單步（STEP）運(yùn)行狀態(tài)，即此時(shí)只發(fā)送一個(gè)CPU周期的時(shí)序信號就停機(jī)。利用單步方式，每次只讀取一條微指令，可以觀察微指令的代碼與當(dāng)前微指令的執(zhí)行結(jié)果。另外，當(dāng)機(jī)器連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如果STEP開關(guān)置“1”，也會使機(jī)器停機(jī)，或使CLR開關(guān)撥至零也可以使時(shí)序清零。

四、實(shí)訓(xùn)電路計(jì)算機(jī)組成原理42

由于時(shí)序電路的內(nèi)部線路已經(jīng)連好，所以只需要將時(shí)序電路和方波信號源連接，即將時(shí)序電路的時(shí)鐘輸入端?接至方波信號發(fā)生器輸入端H23上，按動啟動鍵START后，就可以產(chǎn)生時(shí)序信號TS1～TS4。時(shí)序電路的CLR已接至實(shí)驗(yàn)板左下方的CLR模擬開關(guān)上。圖10-13時(shí)序控制電路框圖計(jì)算機(jī)組成原理432．微程序控制實(shí)訓(xùn)電路實(shí)訓(xùn)微程序控制器的組成如圖10-14所示，其中控制存儲器可以采用3片2816的E2PROM構(gòu)成；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)容即為下一條微指令地址。當(dāng)T4時(shí)刻測試判別時(shí)，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。計(jì)算機(jī)組成原理44

在該實(shí)訓(xùn)電路中可以設(shè)計(jì)具有三種狀態(tài)的編程開關(guān)：PROM（編程）、READ（校驗(yàn)）、RUN（運(yùn)行）。當(dāng)處于“編程狀態(tài)”時(shí)，讀者可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進(jìn)制代碼寫入到控制存儲器2816中。當(dāng)處于“校驗(yàn)狀態(tài)”時(shí)，可以對寫入控制存儲器中的二進(jìn)制代碼進(jìn)行驗(yàn)證，從而可以判斷寫入的二進(jìn)制代碼是否正確。當(dāng)處于“運(yùn)行狀態(tài)”時(shí)，只需要給出微程序的入口地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。計(jì)算機(jī)組成原理453．指令格式微指令字長共24位，其控制位順序如下：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWECELDPCABCμA5～μA0

ALU控制字段：S3、S2、S1、S0、M、Cn，它們的二進(jìn)制組合用于控制ALU的工作模式，具體含義參見運(yùn)算器實(shí)訓(xùn)中關(guān)于ALU的介紹。存儲器讀寫控制字段：WE，用于控制存儲器的讀寫控制，詳細(xì)的介紹參見存儲器實(shí)驗(yàn)。片選字段：CE，LDPC的組合將會對存儲器、輸入、輸出設(shè)備進(jìn)行片選。

A、B、C字段分別是3位二進(jìn)制的組合，它們分別作為譯碼器的輸入，然后輸出各種控制信號，其含義將在基本模型機(jī)實(shí)訓(xùn)中做詳細(xì)介紹，A、B、C字段輸入與輸出信號對應(yīng)表見10-2，10-3，10-4所示。計(jì)算機(jī)組成原理46表10-2A字段輸入與輸出信號對應(yīng)表151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR與圖10-14中不一致，圖中是LDR1，是否按表中？按表中

計(jì)算機(jī)組成原理47表10-3B字段輸入與輸出信號對應(yīng)表121110選擇000001RS－B010RD－B011RI－B100299－B101ALU－B110SW—B111PC－B計(jì)算機(jī)組成原理48表10-4C字段輸入與輸出信號對應(yīng)表987選擇000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC與圖10-14中不一致，圖中是PC(1)，是否按表中？按表中

計(jì)算機(jī)組成原理49

微指令字長種UA5－UA0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）～P（4）是四個(gè)測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(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)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，其原理如圖10-15所示，圖中I7～I(xiàn)2為指令寄存器的第7～2位輸出，SE5～SE1為微控制器單元微地址鎖存器的輸出端。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、R0-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，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理如圖10-16所示，圖中I0～I(xiàn)4為指令寄存器的第0～4位，LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。計(jì)算機(jī)組成原理50

圖10-14微控制器實(shí)訓(xùn)電路圖計(jì)算機(jī)組成原理51圖10-15微程序執(zhí)行分支選擇原理圖計(jì)算機(jī)組成原理52圖10-16寄存器控制原理圖計(jì)算機(jī)組成原理531．實(shí)訓(xùn)說明圖10-17為幾條機(jī)器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖，將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制代碼，可得到表10-5的二進(jìn)制代碼表。五、實(shí)訓(xùn)步驟計(jì)算機(jī)組成原理542．觀察時(shí)序信號用雙蹤示波器（或用PC示波器功能）觀察方波信號源的輸出，時(shí)序電路中的“STOP”開關(guān)置為“RUN”，“STEP”開關(guān)置為“EXEC”。按動START按鍵，從示波器上可觀察到TS1、TS2、TS3、TS4各點(diǎn)的波形，比較它們的相互關(guān)系，畫出其波形，并標(biāo)注測量所得的脈沖寬度，見圖10-18。計(jì)算機(jī)組成原理55圖10-17微程序流程圖計(jì)算機(jī)組成原理56圖10-18時(shí)序信號圖計(jì)算機(jī)組成原理57表10-5二進(jìn)制代碼表微地址S3S2S1S0MCNWECELDPCABCUA5---UA00000000001110111010001000001000000011110111000000010020000000001000000010010000300000000011000000000010004000000000011000000000101050000000100100010000001100610010101000110100000000107000000010110000000001101100000000110011100000000011100000001111011100000001112000000011110111000000111130000000111101110000011101400000001111011100001010115000000100000001000000001160000000001100000000011111700000000000000000000000125000000001101000000000001計(jì)算機(jī)組成原理583．操作步驟：（1）編程①將微程序控制器編程開關(guān)置為PROM（編程）狀態(tài)。②將時(shí)序產(chǎn)生單元（STATEUNIT）中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。③用二進(jìn)制模擬開關(guān)置微地址MA5—MA0。④在微程序編程開關(guān)MK23－MK0上置微代碼，24位開關(guān)對應(yīng)24位顯示燈，開關(guān)量置為“0”時(shí)燈亮，開關(guān)量為“1”時(shí)燈滅。⑤啟動時(shí)序電路（按動啟動按鈕“START”），即將微代碼寫入到2816的相應(yīng)地址對應(yīng)的單元中。⑥重復(fù)③～⑤步驟，將表10-2的微代碼寫入2816中。計(jì)算機(jī)組成原理59

（2）校驗(yàn)微指令①將微程序控制器編程開關(guān)置為READ（校驗(yàn)）狀態(tài)。②將時(shí)序產(chǎn)生單元（STATEUNIT）中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。③用二進(jìn)制模擬開關(guān)置微地址MA5—MA0。④啟動時(shí)序電路（按動啟動按鈕“START”），讀出微代碼。觀察顯示燈MD23－MD0的狀態(tài)（燈亮為“0”，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(guān)置于PROM編程狀態(tài)，重新執(zhí)行1）（編程）即可運(yùn)行并觀察結(jié)果。⑤運(yùn)行的過程中著重觀察微地址顯示燈、微命令顯示燈。運(yùn)行的方式有單步和連續(xù)兩種方式。計(jì)算機(jī)組成原理60

（3）單步運(yùn)行①將微程序控制器編程開關(guān)置于“RUN（運(yùn)行）”狀態(tài)。②將時(shí)序產(chǎn)生單元（STATEUNIT）中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。③撥動微地址清零CLR開關(guān)，將CLR的狀態(tài)按1→0→1變化。從而將微地址寄存器MA5－MA0清零，微程序運(yùn)行的入口微地址置為000000（二進(jìn)制）。④連續(xù)按動“START”鍵，啟動時(shí)序電路。每按動一次“START”鍵，將順序讀出一條微指令并執(zhí)行后停機(jī)。此時(shí)，微地址顯示燈顯示的是下一條將要運(yùn)行的微指令地址，微命令顯示燈顯示的是正讀出并執(zhí)行的微指令。計(jì)算機(jī)組成原理61

（4）連續(xù)運(yùn)行：①將微程序控制器編程開關(guān)置于“RUN（運(yùn)行）”狀態(tài)。②將時(shí)序產(chǎn)生單元（STATEUNIT）中的“STEP”置為“EXEC”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。③撥動微地址清零CLR開關(guān)，將CLR的狀態(tài)按1→0→1變化。從而將微地址寄存器MA5－MA0清零，微程序運(yùn)行的入口微地址置為000000（二進(jìn)制）。④按動“START”鍵一次，啟動時(shí)序電路，控制器將自動的順序讀出每條微指令并執(zhí)行，直到結(jié)束。此時(shí)，微地址顯示燈顯示的是下一條將要運(yùn)行的微指令地址，微命令顯示燈顯示的是當(dāng)前讀出并執(zhí)行的微指令。思考：觀察圖10-17微程序流程圖，請總結(jié)設(shè)計(jì)微程序有那些規(guī)律？計(jì)算機(jī)組成原理62

寫出下圖中微地址為20、21、22、24四條微指令的二進(jìn)制微代碼。六、練習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理63實(shí)訓(xùn)四基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1．掌握前面部件單元電路訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)造一臺基本模型計(jì)算機(jī)。2．掌握微程序執(zhí)順序強(qiáng)制改變的原理3．掌握機(jī)器指令與微程序的對應(yīng)關(guān)系。4．掌握機(jī)器指令的執(zhí)行流程。5．掌握機(jī)器指令的微程序的編制、寫入。一、實(shí)訓(xùn)目的計(jì)算機(jī)組成原理64

在常規(guī)微程序控制器訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，定義五條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，設(shè)計(jì)一臺微程序控制的指令級模型計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步認(rèn)識、掌握整機(jī)概念。二、實(shí)訓(xùn)要求三、實(shí)訓(xùn)原理

在實(shí)訓(xùn)一至三部件實(shí)訓(xùn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，如運(yùn)算器實(shí)訓(xùn)中對74LS-181芯片的控制，存儲器實(shí)訓(xùn)中對存儲器芯片計(jì)算機(jī)組成原理65的控制信號。而本次訓(xùn)練主要是設(shè)計(jì)在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元的控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序。

計(jì)算機(jī)組成原理661．模型機(jī)機(jī)器指令本實(shí)訓(xùn)采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機(jī)器指令說明IN00000000“DATAUNIT”重的開關(guān)狀態(tài)－>R0ADDadd00010000XXXXXXXXR0＋[addr]－>R0STAaddr00100000XXXXXXXXR0－>[addr]OUTaddr00110000XXXXXXXX[addr]－>BUSJMPaddr01000000XXXXXXXXaddr－>PC

其中IN為單字長（8位），其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。計(jì)算機(jī)組成原理672．裝入機(jī)器程序?yàn)榱讼騌AM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺操作微程序。存儲器讀操作（KRD）：微地址清零CLR開關(guān)，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“00”時(shí)，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作（KWE）：撥動微地址清零CLR開關(guān)，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“01”時(shí)，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動寫入。計(jì)算機(jī)組成原理68

啟動程序：微地址清零CLR開關(guān)，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“11”時(shí)，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運(yùn)行。上述三條控制臺指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義見表10-4?？刂圃韴D見實(shí)訓(xùn)三（圖10-15微程序執(zhí)行分支選擇原理圖）所示。SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（RP）表10-4SWB、SWA的狀態(tài)計(jì)算機(jī)組成原理693．系統(tǒng)微指令格式系統(tǒng)執(zhí)行五條機(jī)器指令的微代碼定義見表10-5。A、B、C字段對應(yīng)的譯碼信號見實(shí)訓(xùn)三表10-2。242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWECELDPCABCμA5～μA0表10-5微指令格式4．機(jī)器指令與微程序的對應(yīng)關(guān)系

每條機(jī)器指令由多條微指令按一定的順序完成，以MOV指令（從存儲器到存儲器）為例，完成MOV指令的執(zhí)行需要執(zhí)行6條微指令才能完成，其執(zhí)行流程為：計(jì)算機(jī)組成原理705．系統(tǒng)微程序系統(tǒng)涉及到的微程序流程見實(shí)訓(xùn)三（圖10-17）所示，當(dāng)執(zhí)行“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測試字段為P(1)測試。由于“取指”微指令是所有為程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本級用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元。計(jì)算機(jī)組成原理71

控制臺操作為P(4)測試，如圖10-19所示，它以控制臺開關(guān)SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，控制存儲器剩下的其它地址就可以一條微指令占用一個(gè)單元地址，而且地址可以隨意使用。P(1)和P(4)對微程序執(zhí)行分支選擇情況如實(shí)訓(xùn)三（圖10-15微程序執(zhí)行分支選擇原理圖）所示。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表10-6即為將實(shí)訓(xùn)三圖10-17和圖10-19的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。計(jì)算機(jī)組成原理72

圖10-19微程序流程圖計(jì)算機(jī)組成原理73微地址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表10-6二進(jìn)制代碼表計(jì)算機(jī)組成