微程序控制器的组成与微程序设计实验报告.docx

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1、微程序控制器的组成与微程序设计实验报告 信息学院 实验报告 学号：姓名：班级： 课程名称：计算机组成原理实验名称：微程序控制器的组成与微程序设计实验 实验性质：综合性实验设计性实验验证性实验 实验时间：实验地点： 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； 3、为整机实验打好基础。 二、实验内容 编制微程序并观察其运行过程。 三、实验仪器 1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验系统一台 2、排线若干 四、实验原理 实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下方的CLR清零

2、开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接即可。 1、微程序控制电路 微程序控制器的组成见图1-13。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具有掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，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T4时刻进行判别测试时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器设置为“1”状态，完成地址修改。 在该实验电路中，在CONTROL UNIT有一个

3、编程开关SP06，它具有三种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816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，从而可以判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74LS245，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。 2、微指令格式 微指令字长24位，其控制位顺序如下： 表1-4微指令结构图 微程序24 23 22 21

4、 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 控制信号S3 S2 S1 S0 M CN RD M17 M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0 A字段B字段P字段 15 14 13 控制信号12 11 10 控制信号9 8 7 控制信号 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 LDRI 0 0 1 RS_G 0 0 1 P1 0 1 0 LDDR1 0 1 0 RD_G 0 1 0 P2 0 1 1 LDDR2 0 1 1 RI_G 0 1 1 P3 1 0 0 LDIR 1 0 0 299_G 1 0 0

5、 P4 1 0 1 LOAD 1 0 1 ALU_G 1 0 1 AR 1 1 0 LDAR 1 1 0 PC_G 1 1 0 LDPC M17 M16 控制信号 0 0 Y0 0 1 Y1 1 0 Y2 1 1 Y3 五、实验步骤及结果 1、图1-15为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表1-5的二进制代码表。 表1-5微程序时序控制实验二进制代码表 S3 S2 S1 S0 M CN RD M17 M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA0 微地 址 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1

6、0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 5 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 6 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0

7、0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 4 0 0 0 0

8、0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 5 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0

9、2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 6 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 7 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0

10、0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 其中uA5一uA0为6位的后续微地址，A 、B 、P 为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P 字段中的Pl 一P4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。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。B 字段中的RS_G 、RD_G 、RI_G 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R0、R1及R2

11、的选通译码。 74LS27374LS27374LS24574LS24574 74LS245 74LS374 74LS17574LS138 74LS138 74LS138 28C16 28C16 28C16 123456 G G G T1 MK1 MK8MK9MK16MK17MK24LDRI LDDR1 LDDR2 LDIR LOAD LDAR M24 M16M17M18M19M20M21M22M23(A) (B) (P) 74LS74WE CE CE WE CE WE OE OE OE LM24LM16LM17LM9LM8LM1 control and mcs51 CLR T2 CLR CLR

12、 CLR CLR CLK CLK CLK MS5 MS0 MA0 MA5 CLK OE micro address m_data m_data m_data (1) 12 38 MD24 MD17 MD8 MD1 MD16 MD9 RS_G RD_G RI_G 299_G ALU_G PC_G INTA P(1) P(2)P(3)P(4)AR LDPC 图1-13 微控制器实验原理图 2、按图1-14连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）。 MICRO MS5 MS4MS3MS2MS1MS0 UA5UA

13、4UA3UA2UA1UA0 SWITCH SIGNAL CK CLOCK T1 T2 TS2 TS1 图1-14 微控制器时序控制实验接线图 3、观察微程序控制器的工作原理： （1）编程 A 、将CONTROL UNIT 的编程开关SP06设置为WRITE （编程）状态。 B 、将实验板上“SIGNAL UNIT ”中的“SP03”设置为“STEP ”，“SP04”设置为“RUN ”状态。SWITCH UNIT 的开关CLR 置为高电平。 C 、用SWITCH UNIT 的二进制模拟开关设置微地址UA5UA0。 D 、在MICRO CONTROL 单元的开关SM24SM01上设置微代码，24位

14、开关对应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为“0”时灯灭。 E 、启动时序电路（按动CONTROL UNIT 的“START ” 触动开关），即将微代码写入到E 2 PR0M 28C16的相应地址对应的单元中。 F 、重复C E 步骤，将表1-5的微代码写入28C16。 （2）校验 A 、将CONTROL UNIT 的编程开关SP06设置为READ （校验）状态。 B 、将实验板“SIGNAL UNIT ”中的“SP03”开关设置为“STEP ”状态，“SP04”开关设置为“RUN ”状态。 C 、用SWITCH UNIT 的二进制开关设置要检验的微地址UA5UA0。 D 、按动CON

15、TROL UNIT 的“START ” 触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察MICRO CONTROL 单元的显示灯LM24LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），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“WRIT E ”编程状态，重新执行（1）即可。 P C A R P C +1运行 01 P 4 P C A R P C +1P C A R P C +1SW B U S B U S D R 1 D R 1R A M R A M B U S B U S D R 1 D R 1L E D 01 00 2124 30 20 22 27 23 W R I T E (01)R

16、E A D (00) R U N (11) 20 (SWB SWA) P 1 R A M B U S B U S I R 02 10 P C A R P C +1P C A R P C +1D R 1L E D P C A R P C +1R 0B U S B U S R A M R A M B U S B U S A R P C A R P C +1SW R 0 R A M B U S B U S P C R A M B U S B U S D R 1 R A M B U S B U S A R D R 1+D R 2 R 0 R 0D R 1R A M B U S B U S D R 2

17、R A M B U S B U S A R I N A D D ST A O U T JM P 01 12 07 15 25 17 16 13 14 26 06 05 04 03 10 11 01 01 01 01 图1-15 微程序流程图 （3）单步运行 A、将CONTROL UNIT的编程开关SP06置于“RUN（运行）”状态。 B、将实验板“SIGNAL UNIT”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。 C、操作SWITCH UNIT的CLR开关，使CLR信号状态依次为101，将微地址寄存器74LS74（1）74LS74（3）清零，从而明确本机

18、的运行入口微地址为000000（二进制）。 D、按动CONTROL UNIT 的“START”触动开关，启动时序电路，则每按动一次“START”键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。 注：在当前条件下，将“MICRO CONTROL”单元的SE6SE1接至“SWITCH”中的UA5UA0对应二进制开关上，可通过强置端SE6SE1人为设置分支地址。首先将SE6SE1对应二进制开关设置为“1”，当需要人为设置分支地址时，将需要改变的某个或几个二进制开关设置“0”，相应的微地址位即被强置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开关设置为“0”

19、，相应的微地址位将被强置为“1”） 六、实验思考 1、比较微程序控制器和组合逻辑控制器各有什么优缺点？ 答：组合逻辑控制方法中思路简单，可用于实现任一指令系统，但是设计和调试代价很大，难于修改和扩充；微程序控制器微程序设计标准化程度高、可灵活地修改和扩充，但速度比硬布线方法慢一些。 2、什么叫指令？什么叫微指令？二者有什么关系？ 答：指令一般是指程序中的一条命令，是由计算机提供给用户，完成对计算机基本的操作的命令；在微程序控制方式之下，从控制存储器中取出，完成一个或几个微操作的命令称为微指令；一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。 七、实验总结 通过本实验，让我掌握了微程序控制器的组成原理，掌握微程序的编制、写入，了解了微程序的运行，为之后整机实验打下了良好的基础。 任课教师评语： 教师签字：年月日注：每学期至少有一次设计性实验。每学期结束请任课老师按时按量统一交到教学秘书处。