计算机组成原理实验报告.docx

实验一 静态随机存取存贮器实验一. 实验目的了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。二. 实验内容实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K8bit）存放程序和数据。CE：片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。A0.A10: 地址信号线。I/O0.I/O7:数据信号线。CEOEWE功能1不选中6116001读010写000不确定SRAM6116功能表存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nI/O用来选择对MEM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。存贮器实验原理图存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10.A8接地，所以其实际容量为256字节。数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。IN单元通过一片74HC245(三态门)，连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。三. 实验过程和图片1、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42)开关区单元：K15.K12(JP92)存贮器MEM单元：A0.A7(JP72)ABus单元：A00.A07(JP56)存贮器MEM单元：D0.D7(JP73)DBus单元：D0.D7(JP53)存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71)CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44)MAR单元：D0.D7(JP14)iDBus单元：iD0.iD7(JP38)MAR单元：wMAR、nMAROE（JP13）开关区单元：K7、K6(JP96)IN单元：IN0.IN7(JP101)iDBus单元：iD0.iD7(JP37)IN单元：nCS、nRD(JP100)开关区单元：K1、K0(JP99)扩展区单元： JP65ABus单元：A00.A07(JP55)扩展区单元： JP63DBus单元：D0.D7(JP54)扩展区单元：JP67CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP50) 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位 3、给6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元写入数据11H、22H、33H、44H、55H、61H。由前面的存贮器实验原理图中可以看出，IN单元的8个拨动开关提供数据和地址，因此先提供地址，具体操作步骤为：（1）禁止对存贮器6116的读写（nWR = 1，nRD = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位地址数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出；（3）MAR单元的nMAROE = 0,允许MAR中锁存的地址数据输出到地址总线上；wMAR = 0，允许写MAR，按CON单元的STEP键一次，依次发出T1、T2、T3信号，在T3的下降沿，IN单元给出的地址数据锁存到MAR中。再写数据：（1）禁止对存贮器6116的读写（nWR = 1，nRD = 1）、MAR的写（wMAR = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出；（3）允许对6116写（M_nIO = 1，nRD = 1, nWR = 0）,按uSTEP键三次，在T2的下降沿，数据写入6116中。写存贮器的流程图如下(以向00地址单元写入11H为例)写存贮器流程图4、从6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元读出数据，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。与写操作类似，先给出地址，再禁止IN单元输出数据（nRD、nCS至少一个=1），最后进行读操作：（1）使6116处于读状态（M_nIO = 1，nRD = 0, nWR = 1）,（2）按uSTEP键三次，在T2、T3信号有效时，6116向数据总线输出数据。读存贮器的流程如下（以从00地址单元读出11H为例）：读存储器流程图如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“存贮器实验”，打开存贮器实验的数据通路图。数据通路图进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前对存贮器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析对SRAM的读写过程。四. 实验体会通过这次实验，我基本掌握了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法。这次的实验虽然连线比较简单，但是操作比较复杂，其原理也很丰富。同样的我们在接口串行成功后，进行了实验步骤的操作。根据书本上提供的数据我们进行了输入，并得到了正确的结果。而为了充分验证它，并进一步了解它的原理，我跟组员也进行了一些创新，进行了不同的输入，然后通过书本原理计算结果，发现都与实验结果相同。这让我们更清楚的知道了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法，有了很深刻的印象。由于一次一次的实验，我们对某些原来步熟悉的元件也有了一定的认识，知道它某些方面的用途，以及在特定实验中的作用。相信这些对以后的学习和实验都会有很大的帮助。实验二 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验一. 实验目的1.理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。2.掌握中断控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计中断控制信号线的方法。二. 实验内容由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。 由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：I/O地址译码原理图A07 A06片 选地址范围00IO_nCE000-3F01IO_nCE140-7F10IO_nCE280-BF11IO_nCE3C0-FFI/O地址空间分配CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制读写控制逻辑M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。三. 实验过程和图片1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：输入设备将一个数打入R0寄存器。输入设备将另一个数打入地址寄存器。将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。2、连线说明：CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42)开关区单元：K5.K12(JP92)ALU单元：rR0、wR0开关区单元：K9、K8ALU单元：IN0.IN7(JP22)iDBus单元：JP37MAR单元：nMAROE、wMAR(JP13)开关区单元：K11、K10(JP94)MAR单元：D0.D7(JP14)iDBus单元：iD0.iD7(JP38)存贮器MEM单元：A0.A7(JP72)ABus单元：A00.A07(JP56)存贮器MEM单元：D0.D7(JP73)DBus单元：D0.D7(JP53)存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71)CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44)IN单元：IN0.IN7(JP101)DBus单元：D0.D7(JP52)IN单元：nRDCBus单元：nIO_RD(JP49)IN单元：nCS扩展区单元：GNDOUT单元：nWR(JP68)CBus单元：nIO_WR(JP48)OUT单元：nCS扩展区单元：GNDOUT单元：JP69DBus单元：D0.D7(JP54)OUT单元：JP70扩展区单元：JP65注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。3、具体操作步骤图示如下：在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总线)(2) 打开实验仪电源(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，结束写R0操作(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。(5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。四. 实验体会1、存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，因此需要外部总线提供数据信 号、地址信号以及控制信号。 2、外部总线和 CPU 内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。 而地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。 3.为了实现对于 MEM 和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 设备的读写 4、WR=0，RD=1，IOM=0时 E0 灭，表示存储器读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=0） 连续按动开关ST，当指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭，表示存储器写功能信号有效。 WR=0，RD=1，IOM=1时，E2 灭，表示 I/O 读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=1）时，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E3 灭，表示 I/O 写功能信号有效。 5、在接线时为了方便，可将管脚接到 CON 单元闲置的开关上，若开关打到 1，等效于接到VCC；若开关打到0，等效于接到GND。实验三 具有中断控制功能的总线接口实验&具有DMA控制功能的总线接口实验一. 实验目的DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。二. 实验内容直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。实验原理图如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。三. 实验过程和图片1、连线说明： CBus单元：JP47(nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA)扩展区单元：JP67CBus单元：HOLD(JP50)开关区单元：K0(JP99)2、具体操作步骤如下：(1)打开实验仪电源，将开关区单元的K0置为0，按CON单元的nRST按键，CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA输出“1”、“1”、“1”、“1”、“0”、“0”，前四个信号分别点亮扩展区的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯。用万用表测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平。（2）将开关区单元的K0(HOLD)置为1，连续按动CON单元的uSTEP键，发现在T3结束时，HLDA信号点亮DS164，表示CPU响应DMA请求，T1、T2、T3均输出无效的低电平信号，再按uSTEP键，也没反应，表示CPU已锁住时钟信号；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯均熄灭，表示这几个控制信号均处于高阻状态（因为扩展区的排针上接有下拉电阻，高阻信号接到这些排针上，变为低电平，所以指示灯熄灭）；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是高电平，说明CPU与外部总线已隔断。（3）将开关区单元的K0（HOLD）置为0，撤消DMA请求，按动CON单元的uSTEP键一次，发现HLDA信号对应的指示灯DS164熄灭，表示CPU输出无效的HLDA信号（低电平）；T1输出高电平，T2、T3输出低电平信号，表示CPU时钟已开始正常工作；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯点亮，表示CPU已输出这几个控制信号；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平，说明CPU已收回外部总线控制权。四. 实验体会1CPU的响应包括两方面： （1）让出总线控制权 （2）将有效的HALD信号加到DMAC上，通知DMAC可以 使用总线进行数据传输。 2.CPU在收到无效的HOLD信号时，一方面使HALD无效，另一方面，重新开始控制总线，实现正常运行。 3在每个机器周期的T4时刻根据，HOLD信号来判断是否有DMA请求，如果有，则产生有效的HALD信号。 HALD信号一方面锁死CPU的时钟信号，使CPU保持当前状态，等待DMA操作的结束。 另一方面使控制缓冲、数据缓冲、地址缓冲都处于高阻状态，隔断CPU与外总线的联系，将外总线交由DMAC控制。 4、当 HALD 信号无效时，总线上输出的存储器读信号 XMRD 为有效态“0”，当 HALD 信号有效时，总线上输出的存储器 读信号 XMRD 为高阻态。 5、XMRD 为低时，相应的指示灯E0 灭。使用电压表测量数据总线和地址总线左侧的芯片74LS245的使能控制信号（第19脚），发现电压为低，说明数据总线和地址总线与 CPU 连通。 6、按动开关ST，发现控制总线单元的时钟信号指示灯T1T4保 持不变，说明CPU的时钟被锁死。此时XMRD为高阻态，相应的指示灯E0亮。实验四 基本运算器实验一. 实验目的了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。二. 实验内容运算器原理图运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3.S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3.S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是88位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个44位桶形移位器所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in3)右移至第1位(out1),第2位(in2)移至第0位(out0)。又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图： 进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部数据总线 iD7iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0.R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0.R_7显示那个寄存器的值。ALU功能表运算类型S3 S2 S1 S0CN_I功能逻辑运算00000F = A （直通）00001F = B （直通）0001XF = A + B （或）（FZ）0010XF = A * B （与）（FZ）0011XF = A B （异或）（FZ）0100XF = /A （取反）（FZ）移位运算01010F = A 不带进位循环右移B(取低3位)位（FZ）1F = A 算术右移一位（FZ）01100F = A 逻辑右移一位（FZ）1F = A 带进位循环右移一位（FC，FZ）01110F = A 逻辑左移一位（FZ）1F = A 带进位循环左移一位（FC，FZ）算术运算10000F = A + B（FC，FZ，FS）1F = A + B + FC（FC，FZ，FS）10010F = A - B（FC，FZ，FS）1F = A - B - FC（FC，FZ，FS）10100F = A + 1（FZ）1F = NEG A (取补)（FZ）1011XF = A - 1（FZ）其它1100X置FC = CN_I（FC）1101X置I = CN_I(I)1110（保留）1111（保留）S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。三. 实验过程和图片1、连线说明： ALU单元：S0.S3(JP18)开关区单元：K20.K23(JP89)ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP19)开关区单元：K15.K12(JP92)ALU单元：ALU_D0.ALU_D7(JP25)扩展区单元：JP62ALU单元：IN0.IN7(JP22)开关区单元：K0.K7(JP97)2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。3、给暂存器A赋初值（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是1，灭为0。（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7A_0 LED上显示A中的值 4、给暂存器B赋初值（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7R_0 LED上显示B中的值5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU(K10)=0,按uSTEP键，进入T3节拍，节拍DS169DS168T1、T2、T3无效（T1=0、T2=0、T3=0）00T1（T1=1、T2=0、T3=0）01T2（T1=0、T2=1、T3=0）10T3（T1=0、T2=0、T3=1）11说明：1-亮；0-灭当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94.DS101的LED上。6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0 = 58H；FC、FZ、FS、I不变。注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。数据通路图重复上述操作，并完成下表。然后改变A、B、CN_I的值，验证 FC、FZ、FS、EI的锁存功能。运算结果表运算类型ABS3 S2 S1 S0CN_I结果逻辑运算58AB00000ALU=（58） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=( 0)58AB00001ALU=（AB） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 )58AB0001XALU=（FB） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=(0 )58AB0010XALU=（ 08 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 )58AB0011XALU=（ F3 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)58AB0100XALU=（A7 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)移位运算58AB01010ALU=（ 0B ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 )58AB01011ALU=（2C ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)58AB01100ALU=（ 2C ） FC=（ 0）FZ=（0） FS=( 0)5858ABAB0110(FC=0)1ALU=（ 2C ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)0110(FC=1)ALU=（ 2C ） FC=（0 ）FZ=（0） FS=(0 )58AB01110ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 )5858ABAB0111(FC=0)1ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ ） FS=( )0111(FC=1)ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 )算术运算58AB10000ALU=（ 03 ） FC=（1 ）FZ=（0 ） FS=( 0)5858ABAB1000(FC=0)1ALU=（ 04 ） FC=（1 ）FZ=（0 ） FS=(0 )1000(FC=1)ALU=（ 04 ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 0)58AB10010ALU=（ AD ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=(1 )5858ABAB1001(FC=0)1ALU=（AC ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 1)1001(FC=1)ALU=（ AC ） FC=（ 1）FZ=（ 0） FS=( 1)58AB10100ALU=（59 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=( 0)58AB1ALU=（ 58 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 )58AB1011XALU=（57） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)其它58AB1100XFC=（ 00）58AB1101XEI=（ 00）四. 实验体会熟悉了整个实验系统的基本结构，了解了该实验装置按功能分成几大区，学会何时操作各种开关、按键。最重要的是通过实验掌握了运算器工作原理，熟悉了算术逻辑运算的运算过程以及控制这种运算的方法，了解了进位对算术与逻辑运算结果的影响，对时序是如何起作用的没太弄清楚，相信随着后续实验的进行一定会搞清楚的。实验五 微程序控制器实验一. 实验目的(1) 掌握微程序控制器的组成原理。 (2) 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。二. 实验内容微程序设计思想是由剑桥大学的M.V.Wilkes教授首先提出的，为每一条机器指令编写一个微程序，每一个微程序包含一条或几条微指令，每一条微指令对应一个或几个控制各部件动作的微操作指令。然后把这些微程序存到一个控制存贮器中，用寻找用户程序机器指令的方法寻找每个微程序中的微指令。由于这些微指令是以二进制代码形式表示的，每位代表一个控制信号，因此，逐条执行每一条微指令，也就相应地完成了一条机器指令的全部操作；由于控制信号是以二进制代码的形式出现的，因此只要修改微指令的代码，就可改变操作内容，便于调试、修改、甚至增删机器指令，有利于计算机仿真。微程序控制器原理框图微程序控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由CON单元来提供，分为三拍T1、T2、T3。微程序控制器的组成见下图，采用四片6116或2816作为微存贮器，微命令寄存器32位，用四片8D触发器（74HC574）组成。在取指周期的T2下降沿，读取的8位指令数据锁存到指令寄存器(IR)中；T3时刻，根据IR、状态条件（例如：进位标志位、零标志位等），译码生成该机器指令对应的微地址（该机器指令对应uM的首地址），送入微地址寄存器(uPC)；如果不在取指周期，uPC的微地址来自于微指令寄存器的低8位（该机器指令对应的后续微地址）；在T3的下降沿，将控制存贮器中输出的微指令锁存到微指令寄存器中。微程序控制器原理图CON单元有一组按键，与开关区的拨动开关组合，可用来对存贮器MEM、控制存贮器uM读写操作：EXEC按键上方有一指示灯，复位后，指示灯亮，表示实验仪处于运行状态，STEP键、uSTEP键、iSTEP键、PULSE键有效；按一次EXEC键，实验仪切换到编辑状态，ADDR键、+1键、-1键、uM/M键、nRD键、nWR键有效；再按一次EXEC键，实验仪又切换到运行状态。如果在编辑状态时，使用按键，修改过MEM或uM的地址、数据，从编辑状态切换到运行状态后，请按一次nRST复位键，使实验仪回复初始设置（复位PC、uPC、微程序控制器等）。以向uM的00H单元中写入44332211为例，对控制存贮器进行写入的具体操作步骤如下：（1）如果EXEC键上方指示灯熄灭，表示实验仪在uM、MEM编辑状态，转第二步；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯熄灭（2）如果uM/M键上方指示灯亮，表示处于uM编辑状态，直接转第三步；否则，按uM/M键一次，使uM/M键上方指示灯点亮（3）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）（4）IN单元开关给出该控存单元数据的低八位（00010001），按一次nWR键，低八位数据写入6116/2816的同时，打入uM7-0对应的锁存器中，uM单元的uM0、uM4灯点亮，uM1-3、uM5-7指示灯熄灭（5）按一次+1键，准备写该控存单元的15-8位；IN单元开关给出数据（00100010），按一次nWR键，15-8数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM15-8对应的锁存器中，uM单元的uM9、uM13灯点亮，uM8、uM10-12、uM14-15指示灯熄灭（6）按一次+1键，准备写该控存单元的23-16位；IN单元开关给出数据（00110011），按一次nWR键，23-16位数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM23-16对应的锁存器中，uM单元的uM16、uM17、uM20、uM21灯点亮，uM18、uM19、uM22、uM23指示灯熄灭（7）按一次+1键，准备写该控存单元的最高8位；IN单元开关给出数据（01000100），按一次nWR键，最高8位数据写入最后一片6116/2816的同时，打入uM31-24对应的锁存器中，uM单元的uM26、uM30灯点亮，uM24-25、uM27-29、uM31指示灯熄灭如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）编辑完成后进行校验。以校验00H单元为例，对于控制存贮器uM进行校验的具体操作步骤如下：（1）确认EXEC键上方指示灯熄灭；uM/M将上方指示灯点亮（2）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）（3）按一次nRD键，从6116/2816（低八位）读出数据，打入uM7-0对应的锁存器中，uM7-0指示灯显示数据（00010001） （5）按一次+1键，准备读该控存单元的15-8位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（中八位）读出数据，打入uM15-8对应的锁存器中，uM15-8指示灯显示数据（00100010）（6）按一次+1键，准备读该控存单元的23-16位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（高八位）读出数据，打入uM23-16对应的锁存器中，uM23-16指示灯显示数据（00110011）（6）按一次+1键，准备读该控存单元的31-24位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（最高八位）读出数据，打入uM31-24对应的锁存器中，uM31-24指示灯显示数据（01000100）如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）如果按一次-1键，uPC-1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000000）；按nRD或nWR键一次，对uM31-24（最高八位）对应的芯片操作；继续按-1键，依次对高八位、中八位、低八位对应的芯片操作；减至低8位后，再按动-1键一次，微地址uPC会自动减一，继续对下一个单元的操作。如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。微指令字长共 32位，控制位顺序如下表：微指令格式位3130292827262524232221信号名iEndwAwBwIRSP_nOErRDirRirALUA字段wPSW位20191817161514131211-8信号名CN_IrPCPC+1nMAROEnPCOEnINTAnWRnRDM_nIOS3.S0位7-0信号名uM_PC7.uM_PC0A字段2322选择00NOP01wRi10wPC11wMAR其中uM_PC7.uM_PC0为8位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。本实验用到的控制位：wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。wIR:写指令寄存器IR。wIR为低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到IR。rRDi：读通用寄存器。rRDi低电平，在T1时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上。rRi: 读通用寄存器。rRi低电平，在T2时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上；在T3时刻，如果rALU信号为高电平，通用寄存器中数据也输出到iDBus上。rALU：允许ALU结果输出到iDBus上。rALU低电平，在T3时刻，ALU的运算结果输出到iDBus上，这时rRi、nRD只在T2时刻有效，T3时刻让出iDBus。wRi：写通用寄存器。wRi低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到通用寄存器中。CN_I、S3.S0：控制ALU执行何种操作，详细请参阅基本运算器实验M_nIOnRDnWR有效期读I/O(nIO_RD)001T2，T3（rALU=1）写I/O(nIO _WR)010T2本系统上的指令译码规则：机器码IR7.IR0译码输出地址IR_A7.IR_A0微地址范围IR_A7.IR_A0说明00-7FH00001，IR6.IR408H-0FH80-9FH00110, IR4.IR230H-37HA0-DFH00，IR6.IR2,010H-2FHB8-BFH译码为1EHE0-EFH010,IR3.IR0,040H-5FHF0-F3H04H-07H04H-07HF8-FFH00111,IR2.IR038H-3FH指令译码电路在IR单元的CPLD中实现本实验只使用了微控器产生的部分控制信号；除了ALU、通用寄存器R0、指令寄存器IR、指令译码电路外，还要用到IN和OUT单元,由微控器出来的信号M_nIO、nWR和 nRD三个信号控制，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码，其译码原理如下图：读写控制逻辑IR单元原理图R0原理图 OUT单元原理图扩展区电路（辅助电路）同时使用二位数码管、8个发光二极管显示8位数据使用二位数码管显示8位数据使用8个发光二极管最多显示8位数据本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（1010 1000）、OUT（10