实验四：组合逻辑控制器实验.doc

实验四：组合逻辑控制器实验一、实验目的1、深入理解计算机控制器的功能和组成；2、学习和掌握计算机各类典型指令的执行流程；3、学习组合逻辑控制器的控制原理和相关技术。二、实验说明1、TEC-XP+计算机的指令分类TEC-2000指令系统按指令的功能和执行步骤可划分为A、B、C、D四组：A组：主要完成通用寄存器之间的数据传送或运算，以及少数特殊操作，在取指后一步完成。基本指令：ADD，SUB，AND，OR，XOR，CMP，TEST，MVRR，INC，DEC，SHR，SHL，JR，JRC，JRNC，JRZ，JRNZ扩展指令：ADC，SBB，NOT，RCL，RCR，ASR，STC，CLC，EI，DI，JRS，JRNS，JMPRB组：需完成一次主存读/写操作，或IO读/写操作，在取指后二步完成。第一步向地址寄存器送入16位（或8位的I/O端口）地址，第二步完成读、写操作。基本指令：LDRR，STRR，PUSH，POP，PSHF，POPF，MVRD，IN，OUT，JMPA，RETC组：完成两次主存读/写操作（间址操作），在取指令后三步完成。第一次读出的数据是操作数的地址，读出后直接（或经过一次加法运算）将其送入地址寄存器，省掉第二次内存读/写操作的地址传送步骤。CALR指令先用第2步保存PC内容到堆栈，第3步把寄存器中的子程序入口地址传送到程序计数器PC中。扩展指令：CALR，LDRA，STRA，LDRX，STRXD组：完成两次内存的读、写操作，在取指之后四步完成。基本指令：CALA扩展指令：TRET8位指令操作码（记作“IR15IR8”）的特殊含义： IR15IR14用于区分指令组，0X表示A组，10表示B组，11表示C、D组； IR11用于区分C、D组，IR11=0为C组，IR11=1为D组； IR13用于区分基本指令和扩展指令，基本指令为0，扩展指令为1。 IR12用于简化控制器实现，暂定为0。 IR10IR8用于区分同一指令组的不同指令。TEC-XP+的基本指令已全部实现，扩展指令只完成了指令格式和执行流程的设计，控制信号的逻辑尚未实现，可由用户扩展实现。2、TEC-XP+计算机的指令执行流程TEC-2000计算机指令的执行流程由节拍发生器（即时序产生器）控制，节拍（即机器周期或CPU周期）用T4T3T2T1T0来编码，其中，在组合逻辑控制器中T4恒为0（T4=0）。下图为TEC-2000的指令执行流程图，方框表示1个节拍（即机器周期），左上角为节拍的编码（用T3T2T1T0表示）。PC0，关中断PCAR，PCPC+1IR读内存寄存器间的数据传送或运算读写内存或I/O端口读、写内存传地址：AR地址中断请求扫描RESET100000000010001101000110A组0101读内存，AR地址传地址：AR地址01110110读内存传地址：AR地址01000110传地址：AR地址0111读、写内存0101B组C组D组3、TEC-XP+计算机组合逻辑控制器的主要控制信号TEC-2000计算机组合逻辑控制器涉及到大量的控制信号，此处仅对输出的控制信号进行简要介绍。1）运算器控制信号与运算器有关的控制信号有I8I0、A3A0、B3B0、SCI、SSH1SSH0、SST2SST0，这些信号的含义在脱机运算器实验中已作了介绍。2）存储器、I/O端口读写控制信号与存储器、I/O端口读写有关的控制信号/MIO、REQ、/WE，这3个控制信号通过译码后产生6个控制信号。/MIO REQ /WE译码信号功能说明0 0 0/MWR主存写信号，低电平有效0 0 1/MRD主存读信号，低电平有效0 1 0/WRI/O写信号，低电平有效0 1 1/RDI/O读信号，低电平有效0 0 X/MEMREQ主存读写请求，低电平有效0 1 XI/OREQI/O读写请求，低电平有效1 X X-无读写操作3）总线操作、中断控制信号与总线操作、中断有关的控制信号有DC13DC10、DC23DC20。DC12DC10通过3-8译码器74LS138产生8个控制信号。DC13在组合逻辑控制器中未使用。DC12DC10译码信号功能说明0 0 0/SWTOIB开关量SW到内部数据总线0 0 1/RTOIBALU输出到内部数据总线0 1 0/ETOIB16位机扩展符号到内部数据总线0 1 1/FTOIB状态寄存器到内部数据总线1 0 0/STOIB8位机扩展符号到内部数据总线1 0 1/INTVH中断向量高8位到内部数据总线1 1 0/INTVL中断向量低8位到内部数据总线1 1 1-无操作DC22DC20通过3-8译码器74LS138产生8个控制信号。DC23直接送到中断逻辑，DC23=1表示下一拍操作为取指令，否则DC23=0。DC22DC20译码信号功能说明0 0 0-无操作0 0 1/GIR指令寄存器接收0 1 0/GARL地址寄存器低8位接收0 1 1/GARH地址寄存器高8位接收1 0 0/INTR恢复中断优先级1 0 1/INTN新中断优先级1 1 0/EI开中断，置中断允许位INTE=11 1 1/DI关中断，置中断允许位INTE=0三、实验内容和步骤在单步方式下观察TEC-2000计算机典型的基本指令执行的节拍流程以及控制信号。1、基本指令的执行节拍流程将TEC-XP+教学机运行控制开关置为111100（单步、手动置指令、组合逻辑、联机），然后按RESET键，通过16位数据开关SWH、SWL置入指令操作码，在单步方式下，通过指示灯观察每组典型基本指令的节拍流程。A组指令：ADD R0，R1 置SW=00000000 00000001 按RESET键，节拍指示灯T4T0显示01000； （本拍在复位后才会出现） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00000； （本拍在手动情况下无意义） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00010； （执行IR指令编码） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00011； （执行本指令）B组指令：PUSH R0 置SW=10000100 00000000 按RESET键，节拍指示灯T4T0显示01000； （本拍在复位后才会出现） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00000； （本拍在手动情况下无意义） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00010； （执行IR指令编码） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00110； （执行本指令的第一步） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00100； （执行本指令的第二步）D组指令：CALA addr （调用地址为addr的子程序,CALA指令比较特殊） 置SW=11001110 00000000 按RESET键，节拍指示灯T4T0显示01000； （本拍在复位后才会出现） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00000； （本拍在手动情况下无意义） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00010； （执行IR指令编码） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00110； （执行本指令的第一步） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00100； （执行本指令的第二步） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00111； （执行本指令的第三步） 按START键，节拍指示灯T4T0显示00101； （执行本指令的第四步）2、基本指令执行过程的控制信号将TEC-2000教学机运行控制开关置为11101（单步、手动置指令、组合逻辑、16位、联机），然后按RESET键，通过16位数据开关SWH、SWL置入指令操作码，在单步方式下，通过指示灯观察典型基本指令的控制信号。1）A组指令：ADD R0，R1置开关SW=00000000 00000001（ADD指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010011100000100000000110000010010000002）A组指令：SHR R2置开关SW=00001011 00100000（SHR的指令编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010011100000000100001010000111010000003）B组指令：PUSH R3置开关SW=10000110 00000011（PUSH指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010110100000000000000010001110000100110100010000000000000010001000000010004）B组指令：JMPA addr置开关SW=10000000 00000000（JMPA指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010110100010101011000100000110000000110100001000001010000110001110000000005）D组指令：CALA addr置开关SW=11001110 00000000（CALA指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC210001000101010101000110010010000001110000100010101010100010000011000000011