微程序控制器实验报告

微程序控制器实验报告一、实验基本信息实验名称：微程序控制器原理与功能验证实验实验日期：____年____月____日实验地点：____实验室实验人员：____指导教师：____二、实验目的深入理解微程序控制器的核心工作原理，掌握微指令、微程序、控制存储器（CM）、微地址寄存器（MAR）、微指令寄存器（MIR）等关键部件的功能与作用。熟悉微程序的编制、写入与调试流程，掌握微指令格式设计（含操作控制字段、微地址字段）的基本方法。验证微程序控制器对指令执行的控制逻辑，观察不同指令对应的微程序执行过程，理解微程序与机器指令之间的映射关系。学会使用实验平台的相关仪器（如逻辑分析仪、示波器）观测微程序执行过程中的关键信号波形，分析实验现象并排查常见故障。三、实验原理概述（一）微程序控制器核心概念微程序控制器是通过存储在控制存储器中的微程序来实现对指令执行的控制。其核心思想是将每一条机器指令的执行过程分解为若干个基本的微操作，每个微操作由一条微指令来控制完成，一系列微指令组成的微程序对应一条机器指令。当CPU执行某条机器指令时，通过依次读取并执行对应的微程序，即可完成该机器指令的全部功能。（二）关键部件功能控制存储器（CM）：用于存储微程序，通常由只读存储器（ROM）构成，其地址对应微地址，存储单元内容为微指令。微地址寄存器（MAR）：用于存放当前要读取的微指令地址，其输出作为控制存储器的地址输入。微指令寄存器（MIR）：用于存放从控制存储器中读出的微指令，其输出分为操作控制字段和微地址字段，分别控制硬件完成微操作和确定下一条微指令的地址。微地址形成电路：根据当前微指令的微地址字段、机器指令的操作码、以及CPU的状态条件（如进位标志、零标志），生成下一条微指令的地址，实现微程序的顺序执行、分支跳转等。（三）微指令格式设计本实验采用定长微指令格式，总长度为24位，分为三个字段：操作控制字段（16位）：每一位对应一个微操作控制信号，如PC+1、IR写入、存储器读/写、ALU运算控制等，“1”表示该微操作有效，“0”表示无效。条件测试字段（4位）：用于选择状态条件，如无条件、进位标志C=1、零标志Z=1等，为微程序分支提供判断依据。微地址字段（4位）：用于指定下一条微指令的基本地址，结合条件测试字段可实现微程序的分支跳转，微地址范围为00H~0FH（共16条微指令）。（四）机器指令与微程序映射关系实验选取两条典型机器指令进行验证：加法指令（ADDA,[addr]）和减法指令（SUBA,[addr]），每条机器指令对应一段微程序：ADDA,[addr]：功能为将内存地址addr中的数据与累加器A中的数据相加，结果存入累加器A。对应微程序包含取指微指令、地址译码微指令、取数微指令、加法运算微指令、结果存数微指令。SUBA,[addr]：功能为将累加器A中的数据减去内存地址addr中的数据，结果存入累加器A。对应微程序包含取指微指令、地址译码微指令、取数微指令、减法运算微指令、结果存数微指令。其中，取指微指令为两条机器指令共享的公共微程序段，体现了微程序的复用性。四、实验器材微程序控制器实验平台（含控制存储器、微地址寄存器、微指令寄存器、微地址形成电路等模块）逻辑分析仪（用于观测微地址、微指令、控制信号等波形）示波器（辅助观测关键控制信号的时序）直流稳压电源（为实验平台供电）导线若干、螺丝刀、镊子等工具五、实验内容与步骤（一）实验前准备检查实验平台各模块连接是否正常，确保控制存储器、微地址寄存器、微指令寄存器等部件无松动、接触不良等问题。连接实验器材：将逻辑分析仪探头分别连接到微地址（MAR输出）、微指令（MIR输出）、控制存储器读写信号、ALU运算控制信号等关键节点；连接直流稳压电源到实验平台，确认供电电压符合要求（如5V）。熟悉实验平台操作界面，掌握微程序写入、微地址手动设置、机器指令输入等操作方法。（二）微程序编制与写入根据实验选取的两条机器指令，编制对应的微程序，确定每条微指令的操作控制字段、条件测试字段、微地址字段具体值，形成微程序表（如下表所示）。通过实验平台的微程序写入接口，将上述微程序逐条写入控制存储器，写入完成后核对微指令内容，确保无写入错误。（三）加法指令（ADDA,[addr]）功能验证在实验平台上设置机器指令为ADDA,[addr]，并在内存地址addr处写入数据（如35H），在累加器A中写入初始数据（如1AH）。将微地址寄存器初始化为00H（取指微指令地址），启动实验平台，开始执行微程序。使用逻辑分析仪观测微地址变化序列，记录从00H开始的微地址跳转过程，验证是否符合ADD指令对应的微程序流程（00H→01H→02H→03H→05H）。观测各微指令对应的操作控制信号波形，确认在取指微指令执行时PC+1信号、IR写入信号有效；在取数微指令执行时存储器读信号有效；在加法运算微指令执行时ALU加法控制信号有效。实验结束后，读取累加器A中的结果，验证是否为35H+1AH=4FH，记录实验数据。（四）减法指令（SUBA,[addr]）功能验证在实验平台上设置机器指令为SUBA,[addr]，在内存地址addr处写入数据（如35H），在累加器A中写入初始数据（如50H）。将微地址寄存器初始化为00H，启动实验平台执行微程序。使用逻辑分析仪观测微地址变化序列，验证是否符合SUB指令对应的微程序流程（00H→01H→02H→04H→05H）。观测减法运算微指令执行时的ALU减法控制信号波形，确认信号有效且时序正确。读取累加器A中的结果，验证是否为50H-35H=1BH，记录实验数据。（五）故障排查与验证模拟微程序写入错误（如将加法运算微指令的操作控制字段改为减法控制），观察实验现象，记录累加器A的错误结果，分析故障原因。排查故障后，重新写入正确的微程序，再次验证，确保实验结果准确。六、实验结果与分析（一）加法指令实验结果微地址变化序列：实验观测到微地址依次为00H→01H→02H→03H→05H，与ADD指令对应的微程序流程完全一致，说明微程序分支跳转逻辑正确。控制信号波形：取指阶段PC+1信号、IR写入信号在微地址00H时有效；取数阶段存储器读信号在微地址02H时有效；加法运算阶段ALU加法控制信号在微地址03H时有效，时序符合设计要求。数据结果：累加器A初始值1AH，内存addr地址数据35H，实验测得A中结果为4FH，与理论计算值一致，验证了ADD指令功能正常。（二）减法指令实验结果微地址变化序列：微地址依次为00H→01H→02H→04H→05H，符合SUB指令对应的微程序流程，证明微地址形成电路能根据机器指令操作码正确选择微程序分支。控制信号波形：减法运算阶段ALU减法控制信号在微地址04H时有效，信号幅值、持续时间均符合设计规范。数据结果：累加器A初始值50H，内存addr地址数据35H，实验测得A中结果为1BH，与理论计算值一致，说明SUB指令功能正常实现。（三）故障模拟与分析当模拟微程序写入错误，将加法运算微指令改为减法控制后，ADD指令执行结果为1AH-35H=E1H（补码形式），与正确结果4FH不符。故障原因分析：微指令操作控制字段错误导致ALU执行了减法运算而非加法运算，验证了微程序的正确性对机器指令执行结果的决定性作用。重新写入正确微程序后，实验结果恢复正常。七、实验总结与心得体会（一）实验总结本次实验通过编制微程序、写入控制存储器，并验证加法、减法两条机器指令的执行过程，成功实现了微程序控制器的功能验证。实验结果表明，微程序控制器能够通过执行微程序准确控制机器指令的执行流程，微指令的格式设计、微程序的编制逻辑直接影响指令执行的正确性；公共微程序段的复用有效简化了微程序设计，提升了控制效率。同时，通过逻辑分析仪观测关键信号波形，深入理解了微程序执行的时序关系和控制逻辑。（二）心得体会通过本次实验，我对微程序控制器的工作原理从理论层面深化到实践层面，深刻理解了“微程序控制”的核心思想，掌握了微指令格式设计、微程序编制的基本方法，体会到了硬件与软件（微程序）相结合的设计思路。在实验过程中，我学会了使用逻辑分析仪、示波器等仪器观测电路信号，提升了实验操作和故障排查能力。当遇到微程序写入错误导致实验结果异常时，通过逐步核对微指令内容、观测微地址变化，成功定位并解决了问题，认识到实验操作的严谨性和规范性的重要性。本次实验也让我认识到微程序控制器的优缺点：其优点是设计灵活、修改方便，无需改动硬件即可实现指令系统扩展；缺点是微程序执行速度相对较慢，控制存储器的容量限制了微程序的规模。在实际应用中，需根据具体需求选择合适的控制器类型。未来可进一步拓展实验内容，如增加更多复杂机器指令（如跳转指令、逻辑运算指令）的微程序设计与验证，或研究微程序的优化方