計算機組成原理實驗報告_微控制器

1、西北工業(yè)大學(xué)計算機組成原理實驗報告計算機組成原理實驗報告 題目： 微程序控制器實驗 一、 實驗?zāi)康模?1) 理解時序產(chǎn)生器的原理，了解時鐘和時序信號的波形。(2) 掌握微程序控制器的功能、組成知識。(3) 掌握微指令格式和各字段功能。(4) 掌握微指令的編制、寫入、觀察微程序的運行二、 實驗設(shè)備PC機一臺，TDCM3+實驗系統(tǒng)一套。三、 實驗內(nèi)容及要求：（一） 實驗原理： 微程序控制電路與微指令格式 (A) 微程序控制電路 微程序控制器的組成見圖10，其中控制存儲器采用3片2816的E2PROM，具有掉電保護功能，微命令寄存器18位，用兩片8D觸發(fā)器(74273)和一片4D(74175)觸發(fā)器

2、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(7474)組成，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測試的情況下，T2時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)T4時刻進行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。 在該實驗電路中設(shè)有一個編程開關(guān)(位于實驗板右上方)，它具有三種狀態(tài)：PROM (編程)、READ(校驗)、RUN(運行)。當(dāng)處于“編程狀態(tài)”時，實驗者可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入到控制存儲器2816中。當(dāng)處于“校驗狀態(tài)”時，可以對寫入控制存儲器中的二進制代碼進行驗證，從而可以判斷寫入的二進制代碼是否正

3、確。當(dāng)處于“運行狀態(tài)”時，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，目的是隔離觸發(fā)器的輸出，增加抗干擾能力，并用來驅(qū)動微地址顯示燈。微程序控制器原理圖 圖10(B) 微指令格式微指令字長共24位，其控制位順序如圖所示。2322212019181514121198650M23M22WRRDIOMS3S0A字段B字段C字段MA5MA0圖11 微指令格式A字段 B字段 141312選擇/000NOP001LDA010LDB011LDR0100保留101保留110保留111LDIR11109選擇000NOP001ALU-B010R0-B01

4、1保留100保留101保留110保留111保留 876選擇000NOP001P<1>010保留011保留100保留101保留110保留111保留C字段MA5-MA0為6位的后續(xù)微地址，A，B，C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多個微命令。C字段中的P(1)是測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，。圖中I7一I2為指令寄存器的第7-2位輸出，SE5SE0為微程序控制器單元微地址鎖存器的強置端輸出。(C)二進制代碼表二進制微代碼表地址十六進制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 0

5、0 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 35000000000000000000110101將全部微程序按照指令格式變成二進制微代碼 可得上表（二） 實驗內(nèi)容1

6、. 按照實驗接線圖連接好實驗線路，并且檢查線路，確保無誤。2. 對微控器的讀寫操作（1）手動讀寫 （2）聯(lián)機讀寫 3.運行微程序（1）本機運行 （2）聯(lián)機運行這次實驗安排了四條機器指令，分別為 ADD（0000 0000）、IN（0010 0000）、OUT（0011 0000）和 HLT（0101 0000），括號中為各指令的二進制代碼，指令格式如下： 助記符 機器指令 說明 IN 00100000 INR0 ADD 00000000 R0+R0 R0 OUT 00110000 R0 OUT HLT 01010000 停機 實驗中機器指令由 CON 單元的二進制開關(guān)手動給出，其余單元的控制信

7、號均由微控制器自動產(chǎn)生，為此可以設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見圖 3-2-8 所示。 幾條機器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖如圖 3-2-9 所示。圖中一個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 進制表示。向下的箭頭指出了下一條要執(zhí)行的指令。P<1>為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。 先手動將微指令輸入到CM中，然后利用存儲好的微程序驗證00100011（23）自加，并輸出結(jié)果。思考題：設(shè)計并修改電路，編寫用微程序?qū)崿F(xiàn)存儲器中兩個單字節(jié)十六進制數(shù)的加法運算，結(jié)果輸出至OUT單元。要

8、求：操作數(shù)由IN單元 R0 MEM MEM R0 ALU ALU R0 結(jié)果 OUT單元輸出（三） 實驗要求（1） 按照實驗步驟連接好電路，按照要求內(nèi)容進行實驗（2） 記錄本次實驗的所有運行結(jié)果，故障現(xiàn)象及排除過程（3） 在要求實驗的基礎(chǔ)上試解決思考題的問題（4） 記錄本次實驗的收獲和想法四、 實驗步驟、觀察與思考：（一）幾條機器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖如下NOP00指令譯碼A+B->R0RO->BNOPR0->OUTIN->R0RO->AP<1>0130ADDINHLTOUT303235333501010405011. 連接實驗線路：仔細查線無誤后

9、接通電源。如果有滴報警聲，說明總線有競爭現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯誤排除。2對微控器進行讀寫操作，分兩種情況：手動讀寫和聯(lián)機讀寫。 1) 手動讀寫 (1) 手動對微控器進行編程（寫） 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為編程檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，IN 單元給出低 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低 8 位。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK5 置為加 1檔。 IN 單元給出中 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，

10、將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中 8 位。IN 單元給出高 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，將表 3-2-2 的微代碼寫入 2816 芯片中。 (2) 手動對微控器進行校驗（讀） 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0 顯示該單元的低 8 位。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK5 置為加 1檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺

11、的開關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15M8 顯示該單元的中 8 位，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23M16 顯示該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗。如果校驗出微代碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認微指令的輸入無誤為止。 2) 聯(lián)機讀寫 (1) 將微程序?qū)懭胛募?聯(lián)機軟件提供了微程序下載功能，以代替手動讀寫微控器，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：$M XX XXXXXX十六進制地址微指令微指令代碼標(biāo)志如$M 1F 112233，表示微指令的地址為 1FH，微指令值為 11H（高）、22H（中）、33H（低），本次實驗的微程序如

12、下，其中分號；為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉。 (2) 寫入微程序 用聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實驗系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸出區(qū)的結(jié)果欄會顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機器指令還是微指令，還剩多少條指令等。 (3) 校驗微程序 選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，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 3-2-2 中的十六進制數(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)機軟件單獨修改某個單元的微指令，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

13、數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?6 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)。；/*/；/ /；/ 指令文件 /；/ /；/*/ ；/* Start Of MicroController Data*/ $M 00 000001 ; NOP $M 01 007070 ; CON(INS)->IR, P<1> $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 ; R0->OUT $M 35

14、 000035 ; NOP ; /* End Of MicroController Data * / 3. 運行微程序 運行時也分兩種情況：本機運行和聯(lián)機運行。1) 本機運行 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔，按動 CON 單元的 CLR 按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時也將指令寄存器（IR）、ALU 單元的暫存器 A 和暫存器 B 清零。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK2 置為單拍檔，然后按動 ST 按鈕，體會系統(tǒng)在 T1、 T2、T3、T4 節(jié)拍中各做的工作。T2 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)

15、生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號；T3、T4 節(jié)拍根據(jù) T2 節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號做出相應(yīng)的執(zhí)行動作，如果測試位有效，還要根據(jù)機器指令及當(dāng)前微地址寄存器中的內(nèi)容進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實現(xiàn)微程序的分支。 按動 CON 單元的 CLR 按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時序與單元的開關(guān) KK2 置為單步檔。 置 IN 單元數(shù)據(jù)為 00100011，按動 ST 按鈕，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時，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，說明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在 CO

16、N 單元的 SD27SD20 給出 ADD 指令 00000000，該指令將會在下個 T3 被打入指令寄存器（IR），它將 R0 中的數(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，觀查 OUT 單元的顯示值是否為 01000110。 2) 聯(lián)機運行 聯(lián)機運行時，進入軟件界面，在菜單上選擇【實驗】【微控器實驗】，打開本實驗的數(shù)據(jù)通路圖，也可以通過工具欄上的下拉框打開數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖 3-2-8 所示。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔，按

17、動 CON 單元的總清開關(guān)后，按動軟件中單節(jié)拍按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址（通路圖中的 MAR）為 000001 時，置 CON 單元 SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng)的機器指令，該指令將會在下個 T3 被打入指令寄存器（IR），在后面的節(jié)拍中將執(zhí)行這條機器指令。仔細觀察每條機器指令的執(zhí)行過程，體會后續(xù)微地址被強置轉(zhuǎn)換的過程，這是計算機識別和執(zhí)行指令的根基。也可以打開微程序流程圖，跟蹤顯示每條機器指令的執(zhí)行過程。 按本機運行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運算結(jié)果是否正確。4.思考題解答對于思考題還需要運用到前面的靜態(tài)存儲器的知識，需要將實驗系統(tǒng)上的控制單元的（IOW/IOR）位置與存儲器上對應(yīng)的（IOW/I

18、OR）位置連上。然后編寫聯(lián)機文件如下：；/*/；/ /；/ 指令文件 /；/ /；/*/ ；/* Start Of MicroController Data*/$M 00 000001 ; NOP $M 01 007070 ; CON(INS)->IR, P<1> $M 38 081001 ;IO->AR $M 36 200401 ; Ro->M $M 37 103001 ; M->Ro $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 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP ; /* End Of MicroController Data * /五、 結(jié)論：第一個實驗輸入：R0 00100011（23） 理論輸出：R0 01000110（46） 實際輸出：R0 01000110（46） 思考題實驗輸入：R0 00100011（23） MEN 00000011（3） 理論輸出：R0 00100011+00000011=00100110（26） 實際輸出：R0 00100110（26）六、 實驗心得：本次實驗是計