計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)三1

1、微程序控制器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握微程序控制器的組成原理。2掌握微程序的編制、寫入方法。3觀察并掌握微程序的運(yùn)行過程。二.實(shí)驗(yàn)原理微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可 以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就 是將控制各部件動(dòng)作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)器指令一樣，用數(shù) 字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個(gè)由多條微指令組成的序列表示 一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲(chǔ)在一種專用的存儲(chǔ)器小，稱為控制 存儲(chǔ)器，微程序控制器原理框圖如圖3.25所示。圖3.25微程序控制器

2、組成原理框圖控制器是嚴(yán)格按照系統(tǒng)時(shí)序來工作的，因而時(shí)序控制對于控制器的設(shè)訃是非常重要的, 從時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以很清楚地了解時(shí)序電路的工作原理，本實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)序由時(shí)序單 元來提供，分為mjfltsl和ts2 o本實(shí)驗(yàn)所用的微程序控制器單元主要由編程部分和核心微控器組成，如圖3.26所示。 其屮，控制存儲(chǔ)器采用3片2816的e2pr0m構(gòu)成，具有掉電保護(hù)功能；微命令寄存器18位，用兩片8d觸發(fā)器（273）和一片4d觸發(fā)器（175）組成；微地址寄存器6位，用三片 正沿觸發(fā)的雙d觸發(fā)器（74）組成，它們帶有清“0”端和預(yù)置端，通過一個(gè)74ls245輸入 微地址，并通過ma5ma0顯示；微代碼由co

3、n單元的sd27sd20、sd17sd10、sd07sd00共24個(gè)二進(jìn)制開關(guān)給出，通過3個(gè)74ls245輸入并在m23m0上顯示；t1為微地址輸出鎖 存器（74ls74）、微代碼輸岀鎖存器（74ls273、74ls175）的時(shí)鐘信號(hào)。在不判別測試的情 況下,t1時(shí)刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng)t2時(shí)刻進(jìn)行測試判別時(shí)， 轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改；clr為清零信號(hào)的引出端， 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中已接至con單元中最右邊的clr按鈕上， 該二進(jìn)制 按鈕為clr專用；se3-se0端掛接到cpu指令譯碼器的輸出端，通過譯碼器確定相應(yīng)機(jī)器

4、指 令的微代碼入口，也可人為手動(dòng)模擬cpu指令譯碼器的輸出，達(dá)到同樣的目的。編程部分通過編程開關(guān)的相應(yīng)狀態(tài)選擇及由t1引入的節(jié)拍脈沖，來完成將預(yù)先定義的 微程序代碼寫入具有掉電保護(hù)功能的控制存儲(chǔ)器中，并可以對控制存儲(chǔ)器中的程序進(jìn)行校驗(yàn), 方便實(shí)現(xiàn)本機(jī)現(xiàn)場直接編程功能。程序開關(guān)位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的左邊中部，它具有三種狀態(tài)：編程、校驗(yàn)、運(yùn)行。(1)處于“編程”狀態(tài)吋，微地址由addr單元給出，微代碼輸入三態(tài)門打開，后續(xù)微 地址三態(tài)門關(guān)閉，同時(shí)控制存儲(chǔ)器2816寫有效、讀無效。此時(shí)若啟動(dòng)時(shí)序電路，即可根據(jù) 微地址和微指令格式將微指令二進(jìn)制代碼寫入到控制存儲(chǔ)器2816中，并在相應(yīng)的顯示燈上 顯示。(2)處于

5、“校驗(yàn)”狀態(tài)時(shí)，微地址由addr單元給出，微代碼輸入三態(tài)門關(guān)閉，后續(xù)微 地址三態(tài)門關(guān)閉，同吋控制存儲(chǔ)器2816讀有效、寫無效。可以讀出相應(yīng)微地址中的微代碼 并在微代碼顯示燈(m23m0)上顯示，對寫入控制存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制代碼進(jìn)行驗(yàn)證，判斷 寫入的二進(jìn)制代碼是否正確。(3)處于“運(yùn)行”狀態(tài)時(shí)，微地址由微地址寄存器給出，微代碼輸入三態(tài)門關(guān)閉，后續(xù) 微地址三態(tài)門打開，同時(shí)2816讀有效、寫無效。此時(shí)若啟動(dòng)時(shí)序電路，即從微地址顯示燈(ma5-ma0)顯示的微程序入口微地址開始，根據(jù)微程序流程圖自動(dòng)執(zhí)行微程序。編程和校驗(yàn)狀態(tài)均需要按照接線圖接線。此外，圖中的微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，冃的是隔離

6、觸發(fā)器的輸出，增加 抗干擾能力，并用來驅(qū)動(dòng)微地址顯示燈。核心微控器主要是接收機(jī)器指令譯碼器送來的代碼， 使控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)機(jī)器指令對應(yīng)的首 條微代碼程序，對機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋或執(zhí)行的工作。具體來講，就是通過接收cpu指令譯碼器發(fā)來的信號(hào)，找到該機(jī)器指令對應(yīng)的首條微代碼的入口微地址，再通過由t1引 入的時(shí)序節(jié)拍脈沖的控制，逐條讀出微代碼。然后，其中幾位經(jīng)過譯碼，一并產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 所需的控制信號(hào)，將它們加到數(shù)據(jù)通路屮相應(yīng)的控制位，可對該機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋和 執(zhí)行。指令解釋到最后，再繼續(xù)接收下一條機(jī)器指令代碼，并使控制轉(zhuǎn)到對應(yīng)的入口微地址， 這樣周而復(fù)始，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令程序的運(yùn)行。匝 326感

7、輕jpm圭一誰m崔yajd7 . dot 二.a 言fess m,b3円養(yǎng)鬥s er &j；g 333 3s3 3二禺往左房比 c5dp-d-g &q-m-q-q-o-e q_q_n.o_p_q-qq.n_138譯碼138譯碼b-iecnmivion*nrj74ls245 c|q138譯碼c rec|：a 74ls1754d728161a5 . afl-m h d - 彳-0-q-5 o-b-sb27 .別20s17 s10 sm7 .74ls232816csmax. mw巧ao74isji7貶28,6ia5 . ao見p22p2.1p2qan單片機(jī)cm跟元核心微控器是根據(jù)m2

8、3m0所顯示的相應(yīng)控制位，再經(jīng)過部分譯碼產(chǎn)生的二進(jìn)制信號(hào) 實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令程序的順序、分支以及循環(huán)運(yùn)行，所以有效地定義24位微代碼對系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)中的微指令字長共24位，控制位順序如表3.8所示。表3.8微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0m23m22wr rdi0ms3-s0a字段b字段c字段ma5-ma0其屮，ma5-ma0為6位的后續(xù)微地址；a、b、c為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位 譯碼出多位，c字段中的p為測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼， 使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)完成對指令的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)微程序的分支，本實(shí)

9、驗(yàn)系統(tǒng)中的指令譯碼原理如圖1.6所示，指令譯碼邏輯在ir單元的ins_dec (gal20v8)中 實(shí)現(xiàn)， 其中17-12為指令寄存器的第7-2位輸出，se3-se0為微控器單元微地址鎖存器的強(qiáng) 置端輸出。從圖3.26中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號(hào)比表3.8中的要多，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的不 同，所需的控制信號(hào)也不一樣，本實(shí)驗(yàn)只用了部分的控制信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)除了用到指令寄存器(ir)和通用寄存器r0外，還要用到in和out單元，從微 控器出來的信號(hào)中只有iom. wr和rd三個(gè)信號(hào)，所以對這兩個(gè)單元的讀寫信號(hào)還應(yīng)先經(jīng) 過譯碼，其譯碼原理如圖1.16所示。ir單元的原理圖如圖1.5所示，r0單元原理如圖

10、1.3所示，in單元的原理圖見圖1.14所示，out單元的原理圖見圖1.15所示。本實(shí)驗(yàn)安排了四條機(jī)器指令，分別為add(0000 0000)in(0010 0000)out(0011 0000)和hlt (01010000),括號(hào)中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如表3.9所示，其中高4位 為操作碼。表3.9指令格式助記符機(jī)器指令碼說明in0010 0000in troadd0000 0000r0 + rot r0out0011 0000rotouthlt0101 0000停機(jī)實(shí)驗(yàn)中的4條機(jī)器指令由con單元的二進(jìn)制開關(guān)手動(dòng)給出，其余單元的控制信號(hào)均市 微程序控制器自動(dòng)產(chǎn)生，為此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)

11、的數(shù)據(jù)通路圖，見圖3 . 2 7所示。4條機(jī)器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖如圖3.28所示。圖中一個(gè)矩形方框表示一條微指 令，方框中的內(nèi)容為該指令執(zhí)行的微操作，右上角的數(shù)字是該條指令的微地址，右下角的數(shù) 字是該條指令的后續(xù)微地址，所有微地址均用16進(jìn)制表示。向下的箭頭指出了下一條要執(zhí)a字段b字段c 字段14 13 12選擇000nop001lda010ldb011ldr0100保留101保留110保留111ldir11 109選擇000nop001alu b010ro b011保甬100保留101保留110保留111保留876選擇000nop001p010保留011保留100保留101保留110

12、保留111保留行的指令。pv1為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。00將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制微代碼，可得到表3.10的二進(jìn)制代碼表。表3.1（）二進(jìn)制微代碼表地址地址十六進(jìn)制十六進(jìn)制高五位高五位s3-s0a 字段字段b 字段字段c 字段字段ma5-ma00000 00 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010501 b2 01000001001oil0010000000013000 14 04000000000001010000000

13、1003218 30 01000110000oil0000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 35000000000000000000110101三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.加法指令：（1）將微程序?qū)懭胛募?lián)機(jī)軟件提供了微程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫微控器，但微程序得以指定的格式寫 入到以txt為后綴的文件中，微程序的格式如下：微指令格式說明：$m xx xxxxxxf微指令代碼- 十六進(jìn)制地址-微指令標(biāo)志如$m if 112233,表示微指令的地址為1fh,微指令值為11h（高）、22h（中）、33h（低），本次實(shí)驗(yàn)的微程序如下，其中分號(hào)“

14、；”為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉。/*;/微控器實(shí)驗(yàn)指令文件/;/；*start of microcontroller data * /$m 00 000001; nop$m 01 007070 ; con(ins)-ir, p$m 04 002405 ; r0-b$m 05 04b201; a加b-r0$m 30 001404 ; r0-a$m 32 183001; in-r0/;/*/$m 33 280401; ro-out$m 35 000035; nop;/* end of microcontroller data * /(2)寫入微程序用聯(lián)機(jī)軟件的“轉(zhuǎn)儲(chǔ)”- “裝載”功

15、能將該格式(xtxt )文件裝載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。裝入 過程屮，在軟件的輸出區(qū)的“結(jié)果”欄會(huì)顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機(jī)器指令還是 微指令，還剩多少條指令等。(3)校驗(yàn)微程序選擇聯(lián)機(jī)軟件的“轉(zhuǎn)儲(chǔ)”- “刷新指令區(qū)”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令, 并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)是否和表3.10屮的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)相同， 如果不同，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的微指 令，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的“微存”tab按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此吋該 單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。運(yùn)行微程序按圖3.30所

16、示連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。如果有“嘀”報(bào)警聲，說明 總線有競爭現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。運(yùn)行吋也分兩種情況：本機(jī)運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。1)本機(jī)運(yùn)行圖3.30實(shí)驗(yàn)接線圖(1)將mc單元的編程開關(guān)置為“運(yùn)行”檔，mem單元的編程開關(guān)也置為“運(yùn)行”檔， 按動(dòng)con單元的clr按鈕， 將微地址寄存器(mar)清零， 同吋也將指令寄存器(ir)、alu單元的暫存器a和暫存器b清零。(2)將時(shí)序單元的狀態(tài)開關(guān)置為“單拍”檔，然后按動(dòng)ts按鈕，體會(huì)系統(tǒng)在t1和t2節(jié)拍中各做的工作。t1節(jié)拍微控器將后續(xù)微地址(下條執(zhí)行的微指令的地址)打入微地址 寄存器，當(dāng)前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)

17、生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號(hào)；t2節(jié)拍根據(jù)t1擴(kuò)展單元t1t2wrri)10mrs bu)rialu bldaldbs3sold1rpse5seoall balu單元b7*. b0*時(shí)序單元ts1ts2控制總線10rwrrd1( (lda【 )b7. b0cpl內(nèi)總線ld1kp1r單元節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號(hào)做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，如果測試位有效，還要根據(jù)機(jī)器指令及當(dāng)前微地 址寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實(shí)現(xiàn)微程序的分支。(3)按動(dòng)con單元的clr按鈕， 清零微地址寄存器(mar)等， 并將時(shí)序單元的狀態(tài)開 關(guān)置為“單步”檔。置in單元數(shù)據(jù)為00100011,按動(dòng)ts按鈕，當(dāng)mc

18、單元后續(xù)微地址顯示為000001時(shí)， 在con單元的sd27sd20模擬給出in指令00100000并繼續(xù)單步執(zhí)行， 當(dāng)mc單元后續(xù)微 地址顯示為000001時(shí)，說明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在con單元的sd27sd20給出add指令00000000，該指令將會(huì)在下個(gè)t2被打入指令寄存器(ir),它將r0屮的數(shù)據(jù)和其自身相加 后送r0；接下來在con單元的sd27sd20給出out指令00110000并繼續(xù)單步執(zhí)行，在mc單元后續(xù)微地址顯示為000001時(shí)，觀查out單元的顯示值是否為olooolloo以下為加法的截圖：控制狀杰羨件控制址杏條件ap33總t二4 =二一*:t tt t0s.h80s.h8ld0ld00 0養(yǎng)2減法指令：只需要加載新的微程序文件即可，如下:/*;/微控器實(shí)驗(yàn)指令文件/;/*；*start of microcontroller data * /$m 00 000001; nop$m 01 007070 ; con(ins)-ir, p$m 04 002405 ; r0-b$m 05 05b201; a減b-r0$m 30 001404 ; r0-a$m 32 183001; in-r0$m 33 280401; r0-out