计算机组成原理实验3-微程序控制器实验

经济管理学院 信息管理与信息系统专业 班 组 学号 姓名 协作者 教师评定 实验题目 微 程 序 控 制 器 实 验 1 实验目的与要求 实验目的 1 理解时序产生器的原理 了解时钟和时序信号的波形 2 掌握微程序控制器的功能 组成知识 3 掌握微指令格式和各字段功能 4 掌握微程序的编制 写入 观察微程序的运行 学习 基本指令的执行流程 实验要求 按练习一要求完成测量波形的操作 画出 TS1 TS2 TS3 TS4 的波形 并测出所有的脉冲 的周期 按练习二的 要求输入微指令的二进制代码表 并单步运行五条机器 指令 2 实验方案 1 用联机软件的逻辑示波器观测时序信号 测量 TS1 TS2 TS3 TS4 信号的方法 1 按图接线 接一根即可 2 把探笔的探头端按颜色分别插到试验仪左上角的 CH1 CH2 黑探头插 CH1 红探头插 CH2 将黑探笔的探头插在 接线的 上孔 将红探笔的探针夹在 TS1 两针之间 3 将实验仪的 STOP 开关置为 RUN STEP 开关置为 EXEC SWITCH UNIT 中 CLR 开关置为 1 状态 按动 START 按 键 4 启动 组成原理联机软件 点击 调试 菜单下的 显示逻 辑示波器窗口 点击示波器开关 即可在屏幕上看到波形 使用 步数 或 速度 调整波形 波形调整好后 不要用同 步通道来稳定波形 应该单击示波器开关 这样整个波形都停 下来 5 鼠标停留在波形线上 会有时间提示 两者相减可以算出波形 周期 6 测完 和 TS1 后 接着测量 TS1 和 TS2 把黑红探针分别夹 在 TS1 两根针之间和 TS2 两根针之间 相互比较 可以测量 TS1 和 TS2 之间相位关系 同理通过测量 TS2 TS3 可以测量 出 TS2 和 TS3 之间相位关系 同理通过测量 TS3 TS4 可以测 量出 TS3 和 TS4 之间相位关系 2 观察微程序控制器的工作原理 1 关掉实验仪电源 拔掉前面测时序信号的接线 按图连接实验 电路 仔细检查无误后接通电源 2 编程写入 E2PROM 2816 A 将编程开关 MJ20 置为 PROM 状态 B 将实验板上 STATE UNIT 中的 STEP 置为 STEP 状态 STOP 置为 RUN 状态 SWITCH UNIT 中 CLR 开关置为 1 状态 C 在右下角的 SWITCH UNIT 中 UA5 UA0 开关上表 3 2 中某个 要写的微地址 D 在 MK24 MK1 开关上置表 3 2 中要写的微地址后面的 24 位微代 码 24 位开关对应 24 位显示灯 开关置为 1 时灯亮 开 关置为 0 时灯灭 E 启动时序电路 按动启动按钮 START 即将微代码写入到 E2PROM 2816 的相应地址对应的单元中 F 重复 C E 步骤 将表 3 2 的每一行写入 E2PROM 2816 3 校验 A 将编程开关置为 READ 状态 B 保持 STEP STOP CLR 开关状态不变 即实验板的 STEP 开关 置为 STEP 状态 STOP 开关置为 RUN 状态 SWITCH UNIT 中 CLR 开关置为 1 状态 C 在开关 UA5 UA0 上按表 3 2 置好要读的某个微地址 D 按动 START 键 启动时序电路 就能读出微代码 观察显示灯 MD24 MD1 的状态 检查读出的微代码是否与写入的相同 如 果不同 将开关置为 PROM 编程状态 重新执行 E 重复 C D 步骤 将表 3 2 的每一行从 E2PROM28 16 中读出来 单步运行五条机器指令 A 将编程开关置为 RUN 状态 B 将 STEP 置为 STEP 状态 STOP 置为 RUN 状态 SWITCH UNIT 中的 CLR 开关置为 1 状态 C 将 SW BUS 开关置为 0 左下方开关 D5 D0 置为 111111 D6 和 D7 开关任意 D 将清零开关 CLR 从高拔到低 再从低拔到高 即将开关 CLR 置为 1 0 1 可发现后续微地址 UA5 UA0 灯变为 000000 000000 是微指令运行启始地址 E 按动 START 键 UA5 UA0 灯变为 010000 这是在读 00 条 微指令 给出下一条要读的微指令是 20 以后每按动一次启 动键 START 都会读出后续微地址指定的一条微指令 微 命令显示灯和微地址显示灯显示着正在所读出的微指令 F 在 UA5 UA0 灯变为 010000 时 可通过实验仪左下方开关 D7 D0 人为强置设置分支地址 将 D5 D0 置为 111111 111100 111111 可发现 UA5 UA0 灯从 010000 变为 010011 表示下一个要读的微指令从 010000 修改为了 010011 G 在 UA5 UA0 灯为 010011 时 也就是 23 时 对照微程序流程 图 按动一下 START 键 UA5 UA0 灯会变成 000001 也就 是 01 表示读出了 23 条微指令 给出了下一条要读的是 01 条微指令 H 在 UA5 UA0 灯为 000001 时 也就是 01 时 对照微程序流程 图 按动一下 START 键 UA5 UA0 灯会变成 000010 也就 是 02 表示读出了 01 条微指令 下一步要的是 02 条微指令 I 按动 START 键 读出 02 条微指令时 UA5 UA0 灯显示为 001000 时 在当前条件下 可通过强置端 SE1 SE6 相接的 D5 D0 人为强置修改分支地址 J 执行完每个指令的最后一条微指令后 都会回到 01 微指令 这样才表示执行完了一条指令 同时也表示可以执行新的指 令了 K 按照上述方法 把所有分支执行一遍 3 实验结果和数据处理 通过比较各波形的相互关系可得 脉冲 的周期是 TS1 TS2 TS3 TS4 各点的周期的 1 4 而且在时间为 T 的条件下 TS1 与 TS2 TS2 与 TS3 TS3 与 TS4 各自之间相差 1 4 周期 4 实验结果分析 二二进进制制 微微地地址址 S S3 3S S2 2S S1 1S SO OM MC CN NW WE EA A 9 9A A8 8 A AB BC C U UA A5 5 U UA A 0 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 11 10 00 00 00 00 00 01 10 00 00 01 10 00 00 00 0 0 00 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 00 00 00 01 11 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 00 00 00 01 10 0 0 00 00 00 01 10 00 02 20 00 00 00 00 00 00 00 01 11 10 00 00 00 00 00 00 01 10 00 01 10 00 00 0 0 00 00 00 01 11 10 03 30 00 00 00 00 00 00 00 01 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 10 00 0 0 00 00 01 10 00 00 04 40 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 0l l0 0l l 0 00 00 01 10 01 10 05 50 00 00 00 00 00 00 01 11 10 01 10 00 00 01 10 00 00 00 00 00 01 11 10 0 0 00 00 01 11 10 00 06 61 10 00 01 10 01 10 01 11 10 00 01 11 10 01 10 00 00 00 00 00 00 00 0l l 0 00 00 01 11 11 10 07 70 00 00 00 00 00 00 00 01 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 01 11 10 01 1 ADD 加法指令为双字长指令 第一字为操作码 第二字为操作 地址 其含义是将 R 寄存器的内容与内存中以 A 为地址单元的数相 加 结果放 R 寄存器 ADD 加法指令由 7 条微指令组成 分别为 01 02 11 03 04 05 06 0 00 01 10 00 00 01 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 1 0 00 01 10 00 01 11 11 10 00 00 00 00 00 00 01 1l l1 11 10 01 11 10 01 11 10 00 00 00 00 01 11 1 0 00 01 10 01 10 01 12 20 00 00 00 00 00 00 0l l1 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 00 00 0l l1 11 1 0 00 01 10 01 11 11 13 30 00 00 00 00 00 00 01 11 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 00 01 11 11 10 0 0 00 01 11 10 00 01 14 40 00 00 00 00 00 00 01 11 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 11 10 0 0 00 01 11 10 01 11 15 50 00 00 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 00 01 10 00 00 00 00 00 00 00 01 1 0 00 01 11 11 10 01 16 60 00 00 00 00 00 00 00 01 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 01 11 11 11 1 0 00 01 11 11 11 11 17 70 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 00 00 00 00 0l l0 01 10 0l l 0 01 10 00 00 00 02 20 00 00 00 00 00 00 00 0l l1 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 01 10 00 01 10 0 0 01 10 00 00 01 12 21 10 00 00 00 00 00 00 01 11 11 11 10 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 00 0 0 01 10 00 01 10 02 22 20 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 11 11 1 0 01 10 00 01 11 12 23 30 00 00 00 00 00 00 01 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0l l 0 01 10 01 10 00 02 24 40 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 10 00 00 00 00 00 00 00 01 11 10 00 00 0 0 01 10 01 10 01 12 25 50 00 00 00 00 01 11 11 10 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 00 00 00 00 01 1 0 01 10 01 11 10 02 26 60 00 00 00 00 00 00 00 01 11 10 01 10 00 00 01 11 10 00 00 00 00 00 0l l 0 01 10 01 11 11 12 27 70 00 00 00 00 01 1l l1 10 00 00 00 01 10 01 10 00 00 00 01 10 00 00 00 0 0 01 11 10 00 00 03 30 00 00 00 00 00 01 11 10 01 10 00 00 01 10 01 10 00 00 00 01 10 00 00 01 1 以微指令 06 为例 微指令功能是 DR1 DR2 06 微指令 S3 S2 S1 S0 M CN 的值为 100101 代表算术运算 A 加 B A 字段 001 起的作用是选择 LDRi B 字段 101 起的作用是选择 ALU B 06 微 指令中 UA5 UA0 中 00000001 代表的含义是后继执行的微地址 其他指令的功能均按以上方式解读 5 写出你掌握了的控制信号的作用 1 时钟时序电路 时序电路可产生 4 个等间隔的时序信号 Tsi TS4 其中 为 钟信号 由实验台左上方的方波信号源提供 可产生频率及脉宽 可调的方波信号 可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽 为了便于控制程序的运行 时序电路发生器也设置了一个启停控 制触发器 CrCr 使 TSlTSl TS4TS4 信号输出可控 2 微程序控制电路 微程序控制器的组成 本实验装置的微程序放在二片 28162816 的 E2PROME2PROM 中 只有掉电保护功能 微命令寄存器为 18 位 由三片 8D8D 触发器 273273 和 1 1 片 4D4D 触发器 175175 组成 微地址寄存器 6 6 位 用三片正沿触发的双 D 触发器 74 组成 它们带有清 0 端和预 置端 在不判别测试的情况下 T2 时刻打入微地址寄存器的内容 即为下一条微指令地址 当 T4T4 时刻进行测试判别时 转移逻辑满 足条件后输出的负脉冲通过强置端将某 触发器置为 1 1 状态 完成地址修改 在该实验电路中设有一个编程开头 位于实验板右上方 它具 有二种状态 PROMPROM 编程 READREAD 校验 RUNRUN 运行 当处于 编 程状态 时 可根据微地址和微指令格将微指令二进制代码写入 到控制存储器 28162816 中 当处于 校验状态 时 可以对写入控制 存储器中的二进制代码进行验证 从而可以断写入的二进制代码 是否正确 当处于 运行状态 时 只要给出微程序的入口微地 址 则可根据微程序流程图自动执行微程序 图中微地址寄存器 输出端增加了一组三态门 目的是隔离触发器的输出 增加抗干 扰能力 并用来驱动微地址显示灯 3 微指令格式 一个完整的程序是由若干条指令语句组成的 一条指令义由若 干条微指令组成 而每一条微指令义由若干微命令及下一条微地 址信号组成 其中 UA5UA5 UA0UA0 为 6 6 位的后续微地址 A A B B C C 三个 译码字段 分别有二个控制位译码出多位 C C 字段中的 ARAR 为算术 运算是否影响进位及判零标控控制位 其为零有效 P 1 P 4P 1 P 4 是 四个测试字位 其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码 使微程序输入相应的微地址入口 从而实现微程序的顺序 分支 循环运行 I7I7 I2I2 为指令寄存器的第 7 2 位输出 SE5SE5 SElSEl 为 微控器单元微地址锁存器的强置端输出 B B 字段中的 RSRS B B R0 R0 B B R1R1 B B 分别为源寄存器选通信号 目的寄存器选通信号及变址 寄存器选通信号 其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器