微程序控制器试验报告

1、微程 序控制器实验预习报告1. 微程序控制器的组成和工作原理。 微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组 成。 其工作原理分为：一、将程序和数据通过输入设备送入存储器； 二、启动运行 后，从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求什么事； 三、 控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存 放 的 操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中 ； 四、运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出2微程序、微指令、微命令之间的关 系。 一系列微指令的有序集合称为微程序。 在微程序控制方式之下，从控制存储器中

2、取出，完成一个或几个微操作的命 令 称为微指令。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令 , 通常把这种控制命令叫做微 命令。所以总的来说：微程序包含微指令，而每条微指令包含的微命令控制。3. 微指令、微程序的设计及调试。 在微程序流程图中，根据每个状态的微指令，将其进行编码，设计出所需硬 件 及执行效率较高的微程序控制电路，然后进行调试。思考题：1. 举例说明实验中出现的基本概念： 微命令、微操作、微指 令、微程序？ 微命令：控制器发出的每个控制信号，如对运算单元的控制 m cn s3 s2 s1 s0 发出的 010101 等。微操作：由微命令控制实现的最基本的操作称为微操作。如发出运

3、算器加 运算的微命令后，运算器进行加法计算，就称为微操作。微指令：完成一个或几个微操作的指令。如控制器进行存数据的命令后， 需要有we信号有效，pc保持，来控制这些的指令即为微 指令。微程序：微程序包含微指令。如微程序流程中包括很多微指令控制，进行 一些加减运算，存储数据，地址自加一等等。2. 解释并比较微程序控制器的几种设 计方法？ 微序列控制器通过吧控制信号存储在一个查找 Rom，(1) 用水平编码生成微 操作 (2) 用垂直编码生成微操作 (3) 从微代码直接产生控制信号。3. 微程序控制器的控制对象、手段及 方法？控制器如何取指 令？ 微程序控制器控制对象分为硬件方面和软件方面，硬件方

4、面为数据通路的 控制信号，软件方面为测试程序的控制信号。 控制器根据状态机的不同状态进行指令读取，在不同状态下取得的指令也 不同。4. 控制器的功能？如何取指令、分析 指令、执行指令？ 通过下址取得指令，根据控制信号进行不同信号的开启或关闭也就是分析 指令，然后再在控制信号的作用下执行指令。5. 下址的产生方法？常用的有哪些， 实验中用到了哪些？A:计数器方式一一在顺序执行微指令时，后续微指令地址由现行微指令 加上一个增量来产生；在非顺序执行微指令时，必须在执行现行微指令后， 转去执行指定后续微指令地址的下一条微指令。E:增量方式与断定方式的结合一一微指令的顺序控制字段分成两部分： 条件选择字

5、段与转移地址字段 . 由这两个字段结合，当转移条件满足时， 将转移地址字段作下一个微地址；若无转移要求，则直接从微程序计数器 中取得下一条微指令 . 一般用于微指 令执行时，需要外部判断条件的场 合 C:多路转移方式一一当微程序不产生分支时，后续微地址直接由微指令 的顺序控制字段给出；否则有若干个后续地址可以选择，此时必须由顺序 控制字段的判别测试和状态条件信息来选择其中一个微地址 . 一般用于有多个转移且可以使用组合逻辑设计转移地址逻辑的场合。 实 验中用到了多路转移方式。6. 每条机器指令的指令码如何与其入 口微地址对应？微程序 分支如何处理？ 通过编码方式，将指令码的状态分成不同的几个，

6、再运用微地址进行编码， 对不同的指令码编程不同的地质，一一对应。在不同分支出现时利用临时寄存器 IR 对几个分支进行编码，映射为不同 状态。7. 如何简化微程序流程图，使其 ADD AND旨令在部分微指令中合并？（如AFHRAM RAM>DR2 R5DR1只对ALU部分的下址进行区分，其他部分用同样的下址即可，这样可以省 去一个 IR 的编码状态。8. 电路设计过程中如果出现多个状态 机怎么办？ 将不同状态机的控制信号进行区分，在不同控制信号作用下进行多个状态机 的 控制。实验日志11月 10日对微指令的复习和理解，明白了下址的控制方法但是对电路中 P1 的意义不太理 解。经过看微程序流

7、程图，发现 P1在Idir需要进行下载时有效，所以 P1即为控制 临时存储器 IR 的控制信号，该控制信 号由流程图中第四步中有效，来控制 IR 的下址是否有效。11 月 12日编写ROM寸发现P1具体为1的状态不同会出现不能强读强写，所以将 P1为1 改为当RAM数据传到IR时令其有效，得到正确波形。11 月 18日仿真时发现ar的第一个地址不正确， 应该为00H但是却是个不是个确定的值。 经分析发现第一个ar值应该为sw输入到总线上，而总线的值没有k输入，所以将k的输入设定为00H,得到的仿真结果正确。实验报告ROM部分代码（只显示编码部分）：Sw r4b r5b alu pcbus dr

8、1 dr2 r4l r5l m cn s3 s2 s1 s0 we rd pclr pcld pcen ldar ldir p1 下址五位 "0111100000000000010100000001"whe naddress="OOOOO"ELSE-SW->PC"1111000000000000011110000010"whe naddress="00001"ELSE-PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110001101000"whe naddress=&

9、quot;00010"ELSE-RAM->IR"1111000000000000011110010101"whe naddress="01001"ELSE-LDA1:PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110010010110"whe naddress="10101"ELSE-LDA2: RAM-> AR"1111100010000000110000000001"whe naddress="10110"ELSE-LDA3:

10、RAM->R5"1111000000000000011110010111"whe naddress="01010"ELSE-STA1: PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110010011000"whe naddress="10111"ELSE-STA2:RAM -> AR"1101100000000001010000000001"whe naddress="11000"ELSE-STA3:R5->RAM"1111

11、000000000000011110011001"whe naddress="01011"ELSE-OUT1: PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110010011010"whe naddress="11001"ELSE-OUT2: RAM -> AR"1111100000000000110000000001"whe naddress="11010"ELSE-OUT3:RAM->BUS"1101110000000000010000

12、011011"whe naddress="01100"ELSE-COM1:R5->DR1"1110100011000000010000000001"whe naddress="11011"ELSE-COM2:/ALU->R5"1111000000000000011110011100"whe naddress="01101"ELSE-JMP1:PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110100000001"whe naddre

13、ss="11100"ELSE-JMP2:RAM->PC"1111000000000000011110000011"whe naddress="01110"ELSE-ADD1:PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110010000100"whe naddress="00011"ELSE-ADD2:RAM->AR"1111101000000000110000000101"whe naddress="00100"ELS

14、E-ADD3:RAM->DR2"1101110000000000010000000110"whe naddress="00101"ELSE-ADD4:R5->DR1"1110100010110010010000000001"whe naddress="00110"ELSE-ADD5:ALU-R5 加"1111000000000000011110011101"whe naddress="01111"ELSE-AND1:PC->AR PC=PC+1"1

15、111100000000000110010011110"whe naddress="11101"ELSE-AND2:RAM->AR"1111101000000000110000011111"whe naddress="11110"ELSE-AND3:RAM->DR2"1101110000000000010000000111"whe naddress="11111"ELSE-AND4:R5->DR1"1110100011010110010000000001&q

16、uot;when address="00111"ELSE-AND5:ALU-R5101011and"0111100000000000010100010001"whe naddress="10000"ELSE-KWE1:SW->PC"1111000000000000011110010010"whe naddress="10001"ELSE-KWE2:PC->AR PC=PC+1"0111100000000001010000010001"whe naddress=&q

17、uot;10010"ELSE-KWE3:SW->RAM"0111100000000000010100010011"whe naddress="01000"ELSE-KWE1:SW->PC"1111000000000000011110010100"whe naddress="10011"ELSE-KWE2:PC->AR PC=PC+1"1111100000000000110000010011"whe naddress="10100"ELSE-KWE3

18、:RAM->BUS"1111100000000000100010000000"没有加数据通路部分时的仿真波形:njm11VdluI 4V KI n>波形分析：将状态机定为单步运行状态，dp为1, qd每次进行启动。CLR由1->0->1，清零作用使微地址 A40为00000。执行第一个单拍，执行将输入值传给 pc，得到下址00001执行第二个单拍，执行微地址为 00001的微指令，PC->AR pc自加一，地址计 数加1变为01H,得到下址00010。执行第三个单拍，将00地址的值读出来赋给IR，在T3时序信号到来时， 执行将RAM中存放的数据

19、（指令）送到IR （指令寄存器），此处运用手动输入 的方法，同时给出判别信号 P及下一条微指令的地址01000,在T4有效时，P1 为1，IR7，IR6，IR5可以手动输入010将微地址改为01010,产生下条微指令 的地址。然后即可进入STA指令操作。然后下址为10111，开始执行RAM- AR操作。从其他输出信号看产生的 输出也是正确的。下一个操作进行强读信号的执行。在之前将CLR信号置为0,进行清零才行，得到0 0 0 0 0地址。然后将KRD信号从1到0再到1,使得a 3 强置数为1,可以将地址从0 0 0 0 0变为0 1 0 0 0,该地址产生下址10 0 11,即为强读控制信号。

20、加入数据通路部分进行仿真：说明：数据通路加上后应该修改部分控制信号，以满足状态机在不 同状态下控制ar, alu , pc等的正确执行。修改如下：if 匕2*色寸色m a*d -* 11七上吏二if lddrl=r 2 二已壬二 dr l<=bTis_re5； elslf lddr2« !11 Then dr2<-bus reg;| END if：-EM xf：1 f t3 * eVenT; and t 3="= 1 1 * t 七电詐if idr4=111 七E它Frey;elsrf ldzE11 -Xen r5<bns reg;T2时刻由于要将RAM勺

21、数据送出，同时dr1或者dr2得到数据，然后进行逻辑 或算术运算，故RAMclk应该有效，Iddr及Iddr2有效。T3时刻将地址送入ar或将dr1及dr2的运算结果存入R4或R5,故Iddr4和Iddr5有效，ar的clk有效。波形如下:iLOO De±40 A mJU 0400 D 応 SOO ntffiO 0 ni W 0 h< MO 0 m »0 0 血rtla4F叮123” 1cotiiil jli it iiiiiii j*l relrr1* .1KUJK>XCl4L1L“创片 Ttj母.7聒匚3.】匡0no匸 i n ! 皿2S “ioo丄# C4

22、狎9 tie.3 42-ti,<kkcXamiX0310X口 口；a30，?,8呛X. «iXbCK<J" ILri <rOWwj OlkCi1出d: -T；TXXXtZB""UKiTKI I'rtaultJQJ-3&El P毛:"SCS C-:" X ''H3；anni iq*阴B "L.-CBttL® k:, , T . . ”/波形分析：（125为显示电路时钟信号，a|g为七段译码器各管，Eq为四个驱 动灯控制信号，此处不做讨论）1、初始状态clr为0将a4.

23、O清零，然后将qd从1变为0再到1, dp定 为1，使状态机进入单步运行状态（或者 qd 直为1，为连续循环运行状态）。可以看出t的变化从0000到1000循环2、随着一个单步周期 a从00001到00010变化。200ns到300ns, pc变为101置数状态，将sw->pc执行。3、地址a为00001,执行pc->AR，pc变为111，ar为00H,使得RAM寻到00H的地址为下一指令输出该地址的数据做准备，进行加计数得到总线数据位01H,同时产生下址00010。1.1 »1 1 tlh1弋at T.«Hior 1£5rtt1_11_11_11L

24、1_1t 1 1 11 11drysnoCTC亠昔电4J如73ini-iliOQg|i ftK 1oa®r? »JtL 9DO1 召 1u3 na O1SOur打1时四一卿！Y MAC :f C> LOO X tLKi Y Ml 第 Udio X回<«J&lOJQi： ! 1DC10 ICtlw国 41jj'!X_so_X.# rIS rsII 1IKDCni云卅AIj«l<hi winQiiormn园*1COLJ 93国見4、地址为00010时，执行RAM->IR指令，总线上显示00H,同时产生下址01000且令

25、p1为1,使得IR在下一周期得到总线上高三位的地址。（不 再采用单步运行仿真，令qd=1连续运行）5、地址为01000时，总线数据位00H单元的数据20H,其二进制高三位为001，由于P1为1,使得1.2us到1.3us时t4有效将ir送入a的低三位产生新的地址01001，开始进行LDA指令操作，往后依次类推。6、 地址为01001时进行PC->AR , PC=PC+操作，产生的下址为10101，总线显示为01H后，ar得到01H单元数据0D作为新的地址，然后送入RAM（RAM -> AR , pc的值为100及111也符合状态。I I 厂 厂 I I I I I I I I I

26、I 鬥<<?Id也 1 Sillt0：*»DCSopDDX CXhOLX OQLQX l&OK 1QOXXX 门1°°X丨 口曲XX1C1QT XLOI IQXamoiZ3CZZZZZ2ZZ-"¥yr虫T111602DCLO:CLK*電d 也| tj_elu inuL I 二 <l u liEll tL | r_»lui LmHI* w w i Mt ITEi 2弼鼻7、地址为10101产生的下址为10110,执行RAM->R5此时ar地址已经为0DH （见上一步骤产生原因）8、在该单步运行周期结束后，

27、下一周期t1变为1后送到数据通路部分进行执行，在数据总线显示55H后，再有一个时钟将总线数据打入 R5, R5显示正确。10110产生下址00001。JB聆GLXVWSgIXJu:-la33sf9el3TJ.U lILTtl I .JiTlS tl | r_«JLn i mt 1 p d-_.bjf xi.ai t. Jl ryali.4 1I1S11«dw-kiI *mI-S15&QWif b，l-厂 NEY L.V.-Y 佔肌X- X，" y 抓 Xr.>X(JW1QDCZQIWQ工:狂 乂8*8Tco丽TX 一r 1U T- JC ；_L 3

28、.-I *9、地址为00001时，pc加计数从02H变为03H,同时得到下址02H送到ar产生下址00010。10、地址为00010时，第三个节拍，ar得到02H地址，在下一单步运行周期 的第二节拍将02H地址的数据送出到总线，总线显示 C0H产生下址 01000。11、 Pc保持100,此时p1为1,同时LDIR有效，取得总线数据高三位110 作为a的后三位。产生下址01110,进入ADD操作环节。总结一下：此时R5存储55H, R4, R2, R1都没有值。下一步将要从 RAM中取得数据直接送入R2,再将R5的送入R1,运用ALU部分进行加运算L±JL1JLL*L£L1

29、JL±E国回E3占鮭3- 6XTiw3.Q«3 ?US4-0wi 1( us,4.Z ua1_11_1 1 iJ-1I1cds&02 *03戈 .00jodTX" odio XT ouu 3T 1000 TXT 0001 TXT ou凶 3T oioo "X iodo TXT oooi>-i >00031LWJ ! JJTSZ2ES22McOfL111DCmomitl*lu 轟讥I12 地址为00011前，数据通路部分执行上个周期的指令 PC->AR PC=PC+。 总线上03H变为04H,与上次执行相同的指令，将 03H地址给

30、ar。同时 产下下址00100。13 地址为00100时，数据通路部分执行上个周期的指令，得到03H单元的数据0EH作为地址，送入ar中，产生下址00101。clr£3* 1TJ* fto iay 434 <6CK1=11心讦S'l>ts* yrv 畳.71FI±llbd3:d.TI35!TI71KTEk na.ll | I.Olli IRKt |4rZ r( si * iThilJi ilr-® iruU |u-pti .creu比灯 |轴14 地址为00101时，数据通路部分执行上个周期的指令，得到0EH单元数据8AH总线显示出了该单元的数

31、据即为 8AH产生下址00110。地址15 为00110时，执行上个周期指令，将 8AH送入R2寄存器。R2寄存器显示数据位8AH正确。同时产生下址00001地址为00001时，执行上一周期操作，将 R5的数据送入到R1,看到R1 显示数据可以得知该显示为正确的。然后进行ALU加运算，得到加的结果为DFH送入到R5总线显示计算结果正确，同时R5得到数据DFH产生下址0001017 地址为00010时再次重复之前操作，此处不再分析。地址为04H,然后得到04H单元数据40H,其二进制高三位为下址低 三位。所以得到下址为01010，进入STA指令操作。地址为10111时，执行上条指令的操作 PC-

32、>AR PC=PC+,1将地址05H 送入ar，pc自加一变为06H,显示在总线上。然后下址为11000。<liG.卑 m6 - &口4I B «i7 如i _FImcCUdf3m叩込QI_4u kuCl |&35,泊.du tuulbQr.tlq mrdlTw厨 pr_*r init.11 <nOQa wniBDl X Kirn I DLDD X 10 XI ®L0 I P1DC X 3 ,f； (HOI 羽!D、血 ZOoinjfSST 1 un匸i .-cjnc - wsixB d»1K3：li)(Tr»dim X

33、训wx «Xorri±J ttLil X皿JCilla It520 地址为11000时，操作上一步指令，将05H单元数据10H送入AR作为 新的地址，产生下址00001。21 地址为00001时，上一步操作将R5数据存入地址为10H的Ram中，总线 显示数据位DFH操作正确，同时产生下址 00010。22接下来的操作与之前相同，不再赘述同样的经过几个节拍脉冲，将地址 a到01000状态，此时总线高三位是 011，在p1为1，ldir有效时得到下址01011。进入OUT操作分支。 与24STAB作相同，只是在最后a地址为11010时产生下址00001。同时 执行RAM到AR的

34、操作，此时RAM勺07H单元数据位10H,将该数据继续 作 为AR显示RAM10哋址的数据。25、 地址为00001时执行上步操作，将 Ram勺0H地址的数据显示出来为 DFH可见数据写入成功。余下的将进行如下操作：将R5的数据DFH与 Ram中 0FH单元数据F0H进行相与运算得到D0H，送至R5, 再对其取反的2FH最后无条件返回00H单元地址。不再进行波形分析。下载验证时引脚分配如下：37KRD3811>KWEIrwutPIN 901 W 1CLKIrvutPIN 122H£rojtPITIES1 11*L25Pirj_i25K的输入可以直接置为低电平,不再分配。最后为模拟机部分：运算