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文档简介

1、沈阳工程学院课程设计设计题目: 基本模型机的设计与实现(第 7组)系 别信息工程系班级计本082学生姓名赵立龙学号17号指导教师王健、李贞职称副教授、教授起止日期:2011年1月3日起至2011年1月9日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目:基本模型机的设计与实现(第 7组)系 别信息工程系班级计本082学生姓名赵立龙学号 17号指导教师王健、李贞职称副教授、教授课程设计进行地点:计算机组成原理实验室任务下达时间:2010年12月24日起止日期:2011年1月3日起至2011年1月9日止 教研室主任王健2010年12月22日批准一、课程设计的原始资料及依据查阅有关计算机组成原理的教材、实验

2、指导书等资料,进一步熟悉微程序控制器原理,微指令的设计 方法。在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上,进一步将各部件组成系统,构造一台基本模型计算机。为给定的机器指令编写相应的微程序,上机调试,掌握整机概念。二、课程设计主要内容及要求1 认真阅读资料,掌握设计题目所要求的机器指令的操作功能。除4条必做指令外,每组另外设计 1条机器指令。2条选做指令,供有能力的学生完成。全部机器指令如下:要求机器指令助 记符操作功能说明设计组 编号机器指令助记符操作功能说明必做IN“DATA UNIT ” 开关RO第4组AAS addrR0+(R0 AND addr) R0必做ADD a

3、ddrR0+addr addr第5组ROA addrR0ORaddrT addr必做SUA addrR0-addr addr第6组OR addr,6addr OR 6 R0必做JMP addraddr PC第7组NAN addraddr AND R0t addr第1组INC addr,9addr + 9t R0第8组SUB 15,addr15-addr R0第2组ZER addr0 addr选做NOT addraddrT R0第3组SEC addrR0-addr-1 R0选做RAA addrR0 AND addr R02 为所要设计的机器指令设计操作码和操作数,并安排其在RAM芯片6116中的

4、地址。形成“机器指令表”3 分析并理解数据通路图。根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。4 根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序,形成“二进制微指令代码表”。5 全部微程序设计完毕后,按照课程设计指导书中给出的电路接线图连接线路。6 .将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。7 执行控制台操作微指令,进行机器指令程序的装入和检查。&运行程序,检查结果是否和理论值一致。9 记录出现故障的现象,并对故障进行分析,说明排除故障的思路及故障性质。10.独立思考,认真设计。遵守课程设计时间安排。11 认真书写课程设计说明书,避免相互抄袭。三、对课程设计说明书撰写

5、内容、格式、字数的要求1 课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体,主要内容包括:设计题目、设计目的、设备 器材、设计原理、设计内容、设计步骤、实现方法及关键技术、遇到的问题及解决方法、设计总结等。一 般不应少于3000字。2 在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等 图表进行说明。应做到文理通顺,内容正确完整,书写工整,装订整齐。3 设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会, 包括通过课程设计有何收获,程序有哪些不足之处,哪里遇到了困难,解决的办法,以及今后的目标。4 课程设计说明书手写或打印均可,具体

6、要求如下:手写时要用统一的课程设计用纸格式,用黑或蓝黑墨水工整书写;打印时采用A4纸,页边距均为20mm,目录、各章标题(如:2设计原理及内容)和设计总结等部 分的标题用小三号黑体,上下各空 1行,居中书写;一级节标题(如:2.1设计原理)采用黑体四号 字,二级节标题(如:2.1.1数据通路)采用黑体小四号字,左对齐书写。正文采用宋体小四号字,行间距18磅,每个自然段首行缩进 2个字。图和表的要有编号和标题,如:图 2.1数据通路图;表1.1机器指令表。图题与表题采用宋体五 号字。表格内和插图中的文字一般用宋体五号字,在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。英文字体和数字采用 Time New

7、Roman字体,与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。页码用五号字,在每页底端居中放置。5 课程设计说明书装订顺序为:封面、任务书、成绩评定表、设计小组任务分配及自评、目录、正 文、设计总结。在左侧用订书钉装订,不要使用塑料夹。6 设计小组任务分配及自评处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员,并由设计组组长给出评 语。包括该同学主要完成了哪些任务,课程设计期间的表现和态度如何,组长自己的评语由小组其他成员 集体讨论后写出。四、设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求1 完成题目要求的机器指令的操作功能,微程序运行稳定。2 提交课程设计说明书打印版及 Word文件。五、时间进度

8、安排顺序阶段日期计划完成内容备注1第1天(1月3 日)阅读资料、系统分析设计2第2天(1月4日系统分析设计、微程序编制3第 3-4 天(1 月 5-6 日)微程序输入、调试及运行4第5天(1月7 日)基本模型机运行验收、答辩5第 6-7 天(1 月 8-9 日)撰写课程设计说明书六、主要参考资料(文献)1 王健、王德君计算机组成原理实验指导书沈阳工程学院,20092 白中英计算机组成原理(第4版).北京:科学出版社,20083 蒋本珊计算机组成原理北京:清华大学出版社,20054 唐朔飞计算机组成原理北京:高等教育出版社,2003沈阳工程学院计算机组成原理课程设计成绩评定表系(部): 信息工程

9、系班级: 计本082学生姓名:赵立龙指导教师评审意见评价内容具体要求权重评分加权分工作态度工作态度认真,遵守纪律,出勤情况良好。0.15432工作能力认真阅读课程设计指导书及其他参考书籍,理 解设计原理;能设计机器指令,独立绘制指令 周期流程图,为微指令编码;线路连接正确, 遇到问题能够深入分析并解决。0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满, 难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理, 文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐 全,图表完备,书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩 (加权分合计乘以8)分加权分合计指导教师签名:年 月日

10、评阅教师评审意见评价内容具体要求权重评分加权分查阅资料查阅资料较广泛,有综合归纳资料的能力。0.25432工作量工作量饱满,难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理, 文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐 全,图表完备,书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩 (加权分合计乘以4)分加权分合计评阅教师签名:年 月日答辩小组评审意见评价内容具体要求权重评分加权分学生汇报 操作演示汇报准备充分,语言表达准确,概念清楚,描 述正确;操作熟练、微程序运行正常;基本上 反映了所完成任务的全部内容。0.55432答辩思路清晰;回答问题有理论依据,基本概念清 楚;主

11、要问题回答正确并迅速,有说服力。0.55432答辩小组评审成绩 (加权分合计乘以8)分加权分合计答辩小组教师签名:年 月日课程设计总评成绩分摘要计算机组成原理讲授单处理机系统的组成和工作原理,他涉及的知识面非常广,内 容包括中央处理器、指令系统、存储系统、总线和输入输出系统等方面,内容抽象难于理解。 借助于“计算机组成原理”实验系统,学生通过实验环节,可以进一步融会贯通学习内容, 掌握计算机各模块的工作原理,相互关系的来龙去脉。计算机的指令系统是由一系列的机器指令组成的。 指令就是计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说,计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。微指令是微程 序级

12、的命令,属于硬件;宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令,属于软件;机器指令 是介于微指令与宏指令之间,通常称为指令,每一条机器指令可完成一个独立的算术运算或 逻辑运算操作。本系统采用TDN-CM计算机组成原理教学实验系统搭建电路图,从而在实验箱上实现一指令系统。该系统在基本模型机的基础上改进并实现IN,ADD SUA JMP和ZER等5条指令的功能。关键词:计算机组成原理;微指令;机器指令;基本模型机。摘要目录1 设计任务描述 (0.1.1 设计题目 .Q.1.2设计目的.Q.1.3基本要求.Q.1.4设备器材.Q.2设计原理及内容1.2.1设计基本原理 1.2.2需要执行的机器指令1.2.

13、3数据通路 1.2.4微程序地址的转移 3.2.5微指令格式3.2.6机器指令的写入、读出和执行 4.3设计步骤6.3.1机器指令的设计 6.3.2微程序流程图及微指令地址的设计 63.3微指令的设计 7.3.4连接线路&.3.5 写程序 9.3.5.1微程序的写入与校验9.3.5.2机器指令的写入与校验 103.6运行程序1.Q4遇到的问题及解决方法 114.1所遇到的问题114.2解决的方法11总结.12.参考文献131设计任务描述1.1设计题目基本模型机的设计与实现。1.2设计目的1. 在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统,构造一台基本模型计算机 2为其定义五条机器

14、指令,并编写相应的微程序,上机调试,掌握整机概念。1.3基本要求1. 认真阅读资料,掌握给定的机器指令的操作功能。2. 分析并理解数据通路图。3. 根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。4. 根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序,形成“二进制微指令代码表”。5. 全部微程序设计完毕后,将微程序中各个微指令正确地写入WPRO芯片2816中。6. 进行机器指令程序的装入和检查。7. 运行程序,检查结果是否和理论值一致。8. IN、ADD、SUA、JMP、NAN指令为必做指令, NOT与RAA为选做指令。9. 独立思考,认真设计,遵守课程设计时间安排。1.4设备器材TDN-CM计算机

15、组成原理教学实验系统一台,排线若干。#沈阳工程学院课程设计报告设计原理及内容2设计原理及内容2.1设计基本原理在以前的部件实验过程中,各部件单元的控制信号是人为模拟产生的,而本次设计将能 在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号,实现特定指令的功能。这里,计算机数据通 路的控制将由微程序控制器来完成,CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个 指令周期全部由微指令组成的序列来完成,即一条机器指令对应一个微程序。本系统使用两种外部设备,一种是二进制代码开关 (DATA UNIT),它作为输入设备;另 一种是发光二极管(BUS UNIT上的一组发光二极管),它作为输出设备。例如:输入时,二

16、进 制开关数据直接经过三态门送到总线上,只要开关状态不变,输入的信息也不变。输出时, 将输出数据送到数据总线BUS上,驱动发光二极管显示。2.2需要执行的机器指令本次设计将完成五条机器指令的微程序设计:IN(输入)、ADD(二进制加法)、SUA(二进 制减法)、JMP(无条件转移)、NAN(与非运算),其指令格式如表2.1所示。表2.1机器指令格式助记符机器指令码说明IN0000 0000“DATA UNIT ”中的开关状态T R0ADD addr0001 0000 XXXXXXXXR0+addr -addrSUAaddr0010 0000 XXXXXXXXR0-addr addrJMP ad

17、dr0100 0000 XXXXXXXXaddr PCNAN addr0011 0000addr AND R0t addr其中机器指令码的最高4位为操作码。IN为单字长(8位),其余为双字长指令。XXXXXXXX 为addr对应的二进制地址码。机器指令程序及数据存放地址举例如表2.2所示。其中的地址可以根据需要修改表2.2机器指令程序及数据存放地址举例地址内容助记符说明In“ DATA UNIT ” 开关R0Add49HR0+49H 49HSUB4AHR0-4AH 4AHNAN4BH4BHA ND R 0 T 4 BH JMP40H PC11H12H13H2.3数据通路实验系统的数据通路图,如

18、图2.1所示5ALU-BBUSftAMi <256X8>S!£0>jDRl(7佗73LDERI#?0-BRO (75374>LDROSW-BLOADPC (74161)IRrLDIR时序产生;B图2.1数据通路图数据通路图中的信号线的说明如下:1) 片选信号CE=0为有效电平,CE=1为无效电平;2) 丘二伪写入,WE=(为读出;3) LOAD和LDPC同时为“ T时,可将总线上的数据装入到 PC中;LDPC为“1”,同时 LOAD为“ 0”时,将PC中内容加1;4) M=0为算术运算,M=1为逻辑运算;5) CN=0表示运算开始时低位有进位,否则低位无进位;

19、6) LDIR信号为向IR寄存器存入要译码的指令控制存储的有效信号,高电平有效;7) SW-B信号为从DATA UNIT输入数据时的输入控制有效信号,低电平有效;8) LDR0信号为向寄存器R0存入数据的输入控制有效信号,高电平有效;9) R0-B信号为寄存器R0中数据向外部部件输出数据的输出控制有效信号;10) LDDR1 LDDR2两个信号为向锁存器存入要进行计算的数据的输入控制的有效信号, 高电平有效;11) SO、S1、S2、S3这四个信号为运算方式控制选择信号,高电平有效;12) ALU-B为计算结果输出三态门输出控制有效信号,低电平有效。2.4微程序地址的转移本实验系统的指令寄存器

20、(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时,先 把该指令从内存取到缓冲寄存器中,然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码 字段,由二进制数构成,为了执行任何给定的指令,必须对操作码进行测试P(1),通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”(实验板上标有“ INS DECODE”的芯 片)根据指令中的操作码译码后的结果,将微控器单元的微地址修改为下一条微指令的地址。地址修改要依靠实验系统的微程序地址转移电路来完成,该电路如图2.2所示。图2.2微程序地址转移电路图中左侧的FC、FZ、P(1 )P(4)均为低电平有效。当T4有正脉冲信号到来时该电路开始 工作

21、。I7I2中输入指令寄存器的第72 位, SE5SE1为微程序地址转移电路的输出结果。根据SE5SE1的值,实验系统自动将下一条微指令的原始地址 UA4UA0修改为实际 的正确地址。修改方法是将 SE5SE1的值与下一条微指令的原始地址 UA4UA0进行按位 操作,SE5SE1中为1的位对应的原始地址 UA4UA0中的位保持不变,而 SE5SE1中 为0的位对应的原始地址 UA4UA0中的位强置为1。2.5微指令格式微指令字长共24位,其控制位顺序如图2.3所示23212019IK1716151413121 HO9 (i 765 ,4321S352S1SOhiCnWECELDPCABCuA5u

22、A4uA3uA2uAluAOA字段El字段C字段1513送祎0Q0601':LDRi0rrLDDRfirLDDR2100LOIRi0LOADii0"LDARii hw逸轉o10o'6ojiRS-B010RD-B11Ri-a 11L0029801ALU-B!QSW-BJi11,PC-B图2.3微指令格式987600'001p010p111p 1N00p0JAR其中UA5UAO为下一条微指令微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位 译码出多种不同控制信号。A字段中的LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。B字段中的RS-B、RD-B、 RI-B分

23、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 RO、R1及R2的选通译码。C字段中的P(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,使微程序转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,这次设计中将用到P1和P4测试字位,其原理如图2.3所示。在AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。 A、B、C三 个字段中“ 000”信号为空操作,即不进行任何操作。根据后面的实验接线图,A字段的LDRi与数据通路图中的LDR0为同一个信号。B字段的RS-B与数据通路图中的R0-B为同一个信

24、号。2.6机器指令的写入、读出和执行为了向RAM中装入机器指令程序和数据,检查写入是否正确,并能启动机器指令程序 执行,还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作(KRD):拨动总清开关CLR (使CLR从1-0-1)后,控制台开关SWB、 SWA置为“ 0 0”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作。存储器写操作(KWE):拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB、SWA置为“ 0 1”时, 按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。启动程序:拨动总清开关 CLR后,控制台开关SWB、SWA置为“1 1 ”时,按START 微动开关,即可转入到第01号“取指”微指令,启动程

25、序运行。上述三条控制台指令用两个开关 SWB、SWA的状态来设置,其定义如表2.3所示。表2.3控制台指令SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)ll启动程序(RP)三个控制台操作微程序的流程如图2.4所示PC->AK PC+1札RDRP(H>图2.4控制台操作微程序流程图控制台操作为P(4)测试,它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件,出现了 3路分支, 占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后,余下的微指令可以存放在控制存储器 的其他任意单元中。当设计“取指”微指令时,该微指令的判别测试字段为 P(1)测试。由于“取指”微指令 是所有微程序都使用的

26、公用微指令,因此 P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器 的前6位(IR7 IR2)作为测试条件,出现5路分支,占用5个固定微地址单元。沈阳工程学院课程设计报告设计步骤3设计步骤3.1机器指令的设计机器指令的代码和数据地址的分配如表3.1所示。表3.1机器指令代码和数据的地址分配表地址内容助记符说明In“ DATA UNIT ”开关ROAdd49HR0+49H 49HSUB4AHR0-4AH 4AHNAN4BH4BHA ND R 0 t 4 BH JMP40H PC11H12H13H3.2微程序流程图及微指令地址的设计按照表3.1的设计形成的ADD微程序流程图如图3.1所示。该流程图

27、的描述如下:当控制台接受到信号时先判断该信号是写机器指令,读机器指令还是运行程序。如果接 受到的信号是写机器指令,就可以向机器中按照一定的顺序写机器指令。如果接受到的信号 是读机器指令,就可以从机器中按照一定的顺序读出机器指令。如果接受到的信号是运行程 序指令,就可以按照一定的顺序进行程序的执行,对于在程序执行过程中的判断则是由机器 自动判断并跳转执行的,在这个跳转的过程中都要回到地址为 23,再继续执行。11KWE(Ol)FC 耳 RBUS:严 M£G±LRAM->BUSRf(ll)图3.1微程序流程图及地址分配图3.3微指令的设计通过图3.1微程序流程图及地址分配

28、图和图2.3微指令格式图对微程序的每一个执行步骤所形成的微指令编码如表3.2所示。表3.2微指令编码说明微地址8进制S3 S2 S1 So M CN WE CE LDPCABCUA>U A0KRD(OO)000 0000 0 0 0 0 0 0 1 1101110100010 000010 0000 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 010010 0100 0 0 0 0 0 0 0 0000000000010 000KWE(01)010 0010 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 100010 1000 0 0 0 0 0 1 0 00001

29、10000010 001RP(11)010 0110 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 101010 1010 0 0 0 0 0 0 0 0100000001101 000IN101 0000 0 0 0 0 0 0 1 0001110000010 011ADD101 0010 0 0 0 0 0 0 1 1110111000011 000011 0000 0 0 0 0 0 0 0 0110000000011 001011 0010 0 0 0 0 0 0 0 0011000000011 010011 0100 0 0 0 0 0 0 1 0010001000011

30、011011 0111 0 0 1 0 1 1 0 0000101000010 011SUB101 0100 0 0 0 0 0 0 1 1110111000100 000100 0000 0 0 0 0 0 0 0 0110000000100 001100 0010 0 0 0 0 0 0 0 0011000000100 010100 0100 0 0 0 0 0 0 1 0010001000100 011100 0110 1 1 0 0 0 1 0 0000101000010 011NAN101 0110 0 0 0 0 0 0 1 1110111000110 000110 0000 0

31、0 0 0 0 0 0 0110000000110 001110 0010 0 0 0 0 0 0 0 0011000000110 010110 0100 0 0 0 0 0 0 1 0010001000110 011110 0110 1 0 0 1 0 1 0 0000101000010 011JMP101 1000 0 0 0 0 0 0 1 1110111000111 000111 0000 0 0 0 0 0 0 0 1101000000010 0113.4连接线路在进行机器指令和微代码的写入 RAM和微指令寄存器中之前要连接实验线路,实验线 路如图3.2所示。在写入微指令之前要将微地

32、址开关 UA0UA5与微地址输入线MAOMA5 相连接。ALU UWH7尸I A4JJ3 L33M H-OPti>CP12LOG LW1Tt1 iswj3YX3R;-Clfts-BQC£SLtiMO-D2*0HAT刍 LMTMJCWQ-CONTeLLEft图3.2实验连接线路连接实验线路的步骤:1. 先连接与总线单元连接的4个单元,再连接与这4个单元相连的微指令控制单元,最 后连接剩余的连接线;2. 检查线路,并更正错误。3.5写程序3.5.1微程序的写入与校验1. UA0UA5与微地址输入线 MA0MA5相连接。2. 编程1)将编将微地址开关程开关置为 PROM(编程)状态。

33、2)将实验板上“ STATE UNIT” 中的“ STEP” 置为“ STEP”,“STOP'置为“ RUN”状 态03)用二进制模拟开关 UA0UA5置微地址MA0MA5。4)在MK23MK0开关上置微指令代码,24位开关对应24位显示灯,开关置为“ 0” 时灯亮,开关置为“I”时灯灭。5)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。6)重复1)5)步骤,将下面二进制代码表中的微代码写入 2816。3. 校验1)将编程开关设置为READ(校验)状态。2)将实验板的“ STEP”开关置为“ STEP”状态。“STOP”开

34、关置为“ RUN ”状态。3)用二进制模拟开关 UA0UA5置好微地址MA0MA5。4)按动“START”键,启动时序电路,读出微代码。观察显示灯MD23MD0的状态(灯 亮为“0”,灭为“ 1”),检查读出的微代码是否与写入的相同。 如果不同,则将开关置于PROM 编程状态,重新执行2即可。3.5.2机器指令的写入与校验1. 断开UA0UA5与微地址输入线 MA0MA5连接。2. 机器指令的写入使编程开关处于“ RUN ”,STEP为“STEP”状态,STOP为“RUN”状态。动总清开关CLR(1 0 1),微地址寄存器清零。此时用“ DATA UNIT ”单元的8位二 进制开关给出要写入R

35、AM区的首地址,控制台SWB、SWA开关置为“ 0 1”,按动一次启动 开关START,微地址显示灯显示“”,再按动一次START,微地址灯显示“”,此时数据开关 的内容置为要写入的机器指令,按动一次START键,即完成该条指令的写入。若仔细阅读KWE的流程,就不难发现,机器指令的首地址只要第一次给入即可,PC会自动加1,所以,每次按动START,只有在微地址灯显示“时,才设置内容,直到所有机器指令写完。3. 机器指令的校验写完程序后须进行校验。拨动总清开关CLR(1 0 1)后,微地址清零。此时用“ DATAUNIT''单元的8位二进制开关置要读的 RAM区的首地址,控制台开

36、关SWB、SWA为“0 0”, 按动启动START,微地址灯将显示“",再按START,微地址灯显示为“",第三次按START, 微地址灯显示为“”,此时总线单元的显示灯显示为该首地址的内容。不断按动START,可检查后续单元内容,注意:每次仅在微地址灯显示为“”时,显示灯的内容才是相应地址中 的机器指令内容。3.6运行程序此程序的运行是按照顺序执行的方式进行执行的,这些操作按照执行的顺序排列为IN、 ADD、SUA、JMP和NAN。具体的执行步骤如下:在IN指令的基础上进行以下的操作。在微地址指示灯显示“”后连续按下 START 键后微地址指示灯将依次显示“”、“”、“”、“”、“”和“”,在微地址指示灯显

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