實(shí)驗(yàn)三微程序控制器實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)三 微程序控制器實(shí)驗(yàn)3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握微程序控制器的組成原理。(2) 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行過程。3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TD-CMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。3.2.3 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)微指令序列表示一條機(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)器中，稱為控制存儲(chǔ)

2、器,微程序控制器原理框圖如圖3-2-1所示。圖3-2-1 微程序控制器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(duì)于控制器的設(shè)計(jì)是非常重要的，從前面的實(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，分為四拍TS1、TS2、TS3、TS4，時(shí)序單元的介紹見附錄2。微程序控制器的組成見圖3-2-2，其中控制存儲(chǔ)器采用3片2816的E2PROM，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（175）觸發(fā)器組成。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。在不判別測(cè)試的情況下，T2時(shí)刻打入

3、微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng)T4時(shí)刻進(jìn)行測(cè)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。圖3-2-2 微程序控制器原理圖在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)有一組編程控制開關(guān)KK3、KK4、KK5（位于時(shí)序與操作臺(tái)單元），可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的三種操作：編程、校驗(yàn)、運(yùn)行?？紤]到對(duì)于存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的操作大多集中在一個(gè)地址連續(xù)的存儲(chǔ)空間中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了便利的手動(dòng)操作方式。以向00H單元中寫入332211為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行編輯的具體操作步驟如下：首先將KK1撥至停止檔、KK3撥至編程檔、KK4撥至控存檔、KK5撥至置

4、數(shù)檔，由CON單元的SD05SD00開關(guān)給出需要編輯的控存單元首地址（000000），IN單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的低8位（00010001），連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)ST（第一次按動(dòng)后MC單元低8位顯示該單元以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，第二次按動(dòng)后顯示當(dāng)前改動(dòng)的數(shù)據(jù)），此時(shí)MC單元的指示燈MA5MA0顯示當(dāng)前地址（000000），M7M0顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00010001）。然后將KK5撥至加1檔，IN單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的中8位（00100010），連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，完成對(duì)該控存單元中8位數(shù)據(jù)的修改，此時(shí)MC單元的指示燈MA5MA0顯示當(dāng)前地址（000000），M15M8顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)

5、（00100010）；再由IN單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的高8位（00110011），連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，完成對(duì)該控存單元高8位數(shù)據(jù)的修改此時(shí)MC單元的指示燈MA5MA0顯示當(dāng)前地址（000000），M23M16顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00110011）。此時(shí)被編輯的控存單元地址會(huì)自動(dòng)加1（01H），由IN單元開關(guān)依次給出該控存單元數(shù)據(jù)的低8位、中8位和高8位配合每次開關(guān)ST的兩次按動(dòng)，即可完成對(duì)后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進(jìn)行校驗(yàn)，以確保編輯的正確。以校驗(yàn)00H單元為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行校驗(yàn)的具體操作步驟如下：首先將KK1撥至停止檔、KK3撥至校驗(yàn)檔、KK4撥至控存檔、KK5撥至置數(shù)檔。由CON單

6、元的SD05SD00開關(guān)給出需要校驗(yàn)的控存單元地址（000000），連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，MC單元指示燈M7M0顯示該單元低8位數(shù)據(jù)（00010001）；KK5撥至加1檔，再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，MC單元指示燈M15M8顯示該單元中8位數(shù)據(jù)（00100010）；再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，MC單元指示燈M23M16顯示該單元高8位數(shù)據(jù)（00110011）。再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān)ST，地址加1，MC單元指示燈M7M0顯示01H單元低8位數(shù)據(jù)。如校驗(yàn)的微指令出錯(cuò)，則返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行校驗(yàn)，直至確認(rèn)輸入的微代碼全部準(zhǔn)確無誤為止，完成對(duì)微指令的輸入。位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MC單元左上角一列三個(gè)指示燈

7、MC2、MC1、MC0用來指示當(dāng)前操作的微程序字段，分別對(duì)應(yīng)M23M16、M15M8、M7M0。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了比較靈活的手動(dòng)操作方式，比如在上述操作中在對(duì)地址置數(shù)后將開關(guān)KK4撥至減1檔，則每次隨著開關(guān)ST的兩次撥動(dòng)操作，字節(jié)數(shù)依次從高8位到低8位遞減，減至低8位后，再按動(dòng)兩次開關(guān)ST，微地址會(huì)自動(dòng)減一，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)單元的操作。微指令字長(zhǎng)共24位，控制位順序如表3-2-1：表3-2-1 微指令格式其中MA5MA0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<1>為測(cè)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

8、口，從而實(shí)現(xiàn)完成對(duì)指令的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)微程序的分支，本系統(tǒng)上的指令譯碼原理如圖3-2-3所示，圖中I7I2為指令寄存器的第72位輸出，SE5SE0為微控器單元微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出，指令譯碼邏輯在IR單元的INS_DEC（GAL20V8）中實(shí)現(xiàn)。從圖3-2-2中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號(hào)比表3-2-1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(duì)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3-2-4所示。IR單元

9、的原理圖如圖3-2-5所示，R0單元原理如圖3-2-7所示，IN單元的原理圖見圖2-1-3所示，OUT單元的原理圖見圖3-2-6所示。圖3-2-3 指令譯碼原理圖圖3-2-4 讀寫控制邏輯 圖3-2-5 IR單元原理圖圖3-2-6 OUT單元原理圖 圖3-2-7 R0原理圖本實(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（0101 0000），括號(hào)中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如下：實(shí)驗(yàn)中機(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)均由微程序控制器自動(dòng)產(chǎn)生，為此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見圖3-2

10、-8所示。幾條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的參考微程序流程圖如圖3-2-9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)行的指令。P<1>為測(cè)試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。圖3-2-8 數(shù)據(jù)通路圖圖3-2-9 微程序流程圖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3-2-2的二進(jìn)制代碼表。表3-2-2 二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3-S0A字段B字段C 字段MA5-MA00000 00 0100000000000000000000000

11、10100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟1. 連接實(shí)驗(yàn)線路按圖3-2-10所示連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。如果有滴報(bào)警聲，說明總線有

12、競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。圖3-2-10 實(shí)驗(yàn)接線圖2. 對(duì)微控器進(jìn)行讀寫操作(1) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行編程（寫） 將時(shí)序與操作臺(tái)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(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)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(shí)序與操作臺(tái)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(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，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(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，將

13、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(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行校驗(yàn)（讀） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為校驗(yàn)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(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)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(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)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(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫

14、入錯(cuò)誤，重新寫入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。3. 運(yùn)行微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK1、KK3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，同時(shí)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(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK2置為單拍檔，然后按動(dòng)ST按鈕，體會(huì)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)生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號(hào)；T3、T4節(jié)拍根據(jù)T2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(cè)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。 按動(dòng)CON單元的CLR按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時(shí)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(dòng)ST按鈕，當(dāng)MC單元后續(xù)微地址顯示為000001時(shí)，在C