組合邏輯控制器部件試驗

1、精品文檔 你我共享控制器部件是計算機的五大功能部件之一，其作用是向整機每個部件（包括控制器本身） 提供協(xié)同運行的需要的控制信號因而，控制器在計算機組成原理過程中是非常重要的內(nèi)容， 但學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對其工作原理卻常常感到難以理解教師在講述這一部分內(nèi)容時，也常 常覺得難以敘述清楚，通過本實驗，輕而易舉的解決了這一問題。實驗設(shè)備和運行環(huán)境在組合程序控制器方式下，同樣可以做匯編語言程序設(shè)計、主存儲器擴展、 I/O接口 擴展和中斷實驗。這幾項實驗的操作步驟與在微邏輯控制器方式下的實驗操作相同，用戶也可 參照后面給出的參考步驟。本節(jié)只給出組合邏輯控制器實驗的操作步驟。實驗?zāi)康?、原理、實驗具體步驟和內(nèi)容

2、2.1實驗原理控制器的設(shè)計實現(xiàn)有兩種方式：一種是 微程序，另一種是組合邏輯線路，微程 序控制器的工作原理，是用一條微指令的控制命令字段 來提供一條機器指令的一個執(zhí)行步驟所需要的控制信號，用這條微指令的下地址字段，指明下 一條微指令衽控制器存儲器中的 地址,以便從控制器存儲器中讀出下一條微指令換句話說，每 一條微指令對應(yīng)一條機器指令的一個執(zhí)行步驟。1微指令格式微指令由下地址字段及控制字段組成TH UNION教學(xué)機的微指令格式如下：其中高八位為下地址字段其余各位為控制字段1）址形成邏輯TH UNION教學(xué)機利用器件形成下一條微指令在控制器存儲器的地址下地址的形成由下地址字段及控制字段中的CI3-S

3、CC控制當(dāng)為順序執(zhí)行時，下地址 字 段不起作用下地址為當(dāng)前微指令地址加1;當(dāng)為轉(zhuǎn)移指令（CI30=0011）時，由控制信號 SCC提供轉(zhuǎn)移條件，由下地址字段提供轉(zhuǎn)移地址2）控制字段控制字段用以向各部件發(fā)送控制信號，使各部件能協(xié)調(diào)工作?？刂谱侄沃懈骺刂菩盘栍腥缦聨最悾?對運算器部件為了完成數(shù)據(jù)運算和傳送功能，微指令向其提供了 24位的控制信號，包括：4位的A、B 口地址，用于選擇讀寫的通用積存器3組3位的控制碼I 8I 6、I 5 丨3、I 2I 6,用于選擇結(jié)果處置方案、運算功能、數(shù)據(jù)來源。3組共7位控制信號控制配合的兩片GAL20V83位SST，用于控制記憶的狀態(tài)標(biāo)志位2位SCI，用于控制產(chǎn)

4、生運算器低位的進位輸入信號2位SSH，用于控制產(chǎn)生運算器最高，最地位（和積存器）移位輸入信號 對內(nèi)存儲器I/O和接口部件，控制器主要向它們提供讀寫操作用到的全部控制信號，共 3位，即MRW 對CPU內(nèi)部總線數(shù)據(jù)來源的控制，主要通過3位編碼標(biāo)記為DCD，來選擇把哪一組 數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)部總線（IB）上。 對幾個特定的積存器接受輸入的控制，也通過了編碼C標(biāo)記為D （2），用來選擇允 許哪個積存器接受送個它的一組數(shù)據(jù)。2.2實驗?zāi)康模和ㄟ^看懂教學(xué)計算機中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條典型指令（例如，ADD腹有詩書氣自華精品文檔你我共享SHR OUT MVRDJRG RET CALA等指令）的功能、格式和執(zhí)行

5、流程，然后自己設(shè)計幾條 指令的 功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確。其最終要達到的目的是：1 深入理解計算機控制器的功能、組成知識；2 深入地學(xué)習(xí)計算機各類典型指令的執(zhí)行流程；3. 對指令格式、尋址方式、指令系統(tǒng)、指令分類等建立更具體的概念；4學(xué)習(xí)組合邏輯控制器的設(shè)計過程和相尖技術(shù)。2.3實驗說明控制器組成和運行機制是學(xué)習(xí)計算機總體組成的重要部分，應(yīng)該比較清楚地懂得：在計原16教學(xué)計算機中，組合邏輯控制器由程序計數(shù)器PC （運算器中的R5）、指令 寄存器IR （用2片8位的寄存器實現(xiàn)）、節(jié)拍發(fā)生器Timing和控制信號形成線路（在 CPLD器件MAC芯片中實現(xiàn)）4個主要部分組

6、成；控制器中需要變化的主要功 能線路集中到 MAC芯片內(nèi)部，用一個VHDL語言或者ABEL語言的程序代碼描述，因此，修改或者擴展指 令的實驗，主要表現(xiàn)為修改編輯這個程序源碼，再經(jīng)過編譯和下載操作即可完成，可以極大 地提高實驗效率。2 在計原16教學(xué)計算機中，有29條基本指令已經(jīng)實現(xiàn)，尚保留19條用于指令擴展實驗，用監(jiān)控程序的A命令能輸入并匯編基本指令，對擴展指令雖然可以輸入，但監(jiān)控 程序卻不能識別，將作為非法指令處理。此時可以在包含有擴展指令的程序中為其預(yù)留下 存儲單元，之后用E命令輸入擴展指令的二進制代碼。通常情況下，T、P命令不適用于擴展指令；3 應(yīng)理解計原16教學(xué)機支持的指令格式及指令執(zhí)

7、行流程分組情況；通過聽課、閱讀教材和教學(xué)實驗，看懂已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的各類指令的功能、格式和執(zhí)行流程，也包 括計算機總體組成，控制器為各功能部件提供的控制信號。三實驗內(nèi)容1-完成控制器部件的教學(xué)實驗，主要內(nèi)容是由學(xué)生自己設(shè)計幾條指令的的功能、格式和執(zhí)行 流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確。2. 首先是看懂計原16教學(xué)計算機的功能部件組成和線路邏輯尖系，然后分析教學(xué)計算機中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條典型指令（例如，ADD SHR OUT等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。3. 設(shè)計幾條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機上實現(xiàn)、調(diào)試正確。例如 ADC JRS JRNS LDRA STOR

8、JMPR等指令，可以從（TH-union計原16機系統(tǒng)技術(shù)說 明與實驗指導(dǎo)書中查找，也可以設(shè)計與實現(xiàn)其它的指令，包括原來已經(jīng)實現(xiàn)的基本指令（要變換為另外一個指令操作碼）或自己確定的指令。在原來提供的MACH程序的基礎(chǔ)上 按照VHDL語言或ABEL語言的要求添加新指令的控制信號，編譯產(chǎn)生JED文件并下載 到MAC芯片里。軟件的使用和下載參見技術(shù)說明和實驗指導(dǎo)。4. 單條運行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。先將教學(xué)機左下方的5個撥動開尖置為11110,再按一下“ RESET按鍵，然后通過16位 的數(shù)據(jù)開尖（SWH SWL置入指令，按“ START按鍵單步送脈沖，通過指示 燈觀察控制 信號的變

9、化。5. 用監(jiān)控程序的A、E （擴展指令必須用E命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運行結(jié) 果。實驗時將教學(xué)機左下方的5個撥動開尖置為00110,運行編寫的小程序。觀察終端顯示的結(jié)果，檢驗設(shè)計的指令是否正確。若與預(yù)定結(jié)果不符，可查看指令的功能、格式、執(zhí)行、流程設(shè)計的是否正確。四實驗要求1實驗之前，應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)備，寫出實驗步驟和具體設(shè)計內(nèi)容，否則實驗效率會特別低，一次 實驗時間根本無法完成實驗任務(wù)，即使基本做對了，也很難說學(xué)懂了些什么重要教學(xué)內(nèi) 容；2應(yīng)在實驗前掌握所有控制信號的作用，在脫機運算器實驗中，已給出了與運算器有尖的控 制信號的作用，16位機組合邏輯控制器用到的控制信號的功能表參見TH-un

10、ion計原16教學(xué)計算機技術(shù)說明和實驗指導(dǎo)第三章。3實驗過程中，應(yīng)認(rèn)真進行實驗操作，既不要因為粗心造成短路等事故而損壞設(shè)備，又要仔 細(xì)思考實驗有尖內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，把自己想不太明白的問題通過實驗理 解清楚，爭取最好的實驗效果，力求達到教學(xué)實驗的主要目的；4 實驗之后，應(yīng)認(rèn)真思考總結(jié)，寫出實驗報告，包括實驗步驟和具體實驗結(jié)果，遇到的主 要問題和分析與解決問題的思路。大家應(yīng)該認(rèn)識到，遇到一些問題是好事情，通過分析與 解決這些問題，才提高了自己的工作能力，學(xué)習(xí)到更多的知識。還未理解清楚，但實驗結(jié) 果正確了就匆忙結(jié)束實驗，并沒有達到教學(xué)實驗的目的。實驗報 告中，還應(yīng)寫出自己的學(xué) 習(xí)心得和

11、切身體會，也可以對教學(xué)實驗提出新的建議等。實驗報告要交給教師評閱并給出 實驗成績。五實驗內(nèi)容和具體步驟：學(xué)習(xí)和檢查已有指令的運行功能和執(zhí)行步驟，當(dāng)5位的功能開尖處于11110狀態(tài)時，教學(xué)機 的指令將通過16位的數(shù)據(jù)開尖手撥方式送入，并且每按一次“ START按鍵，只執(zhí)行指令的一 個步驟，有足夠的時間察看計算機內(nèi)部的信息和控制信號的狀態(tài)。1 接通教學(xué)機電源；2 將教學(xué)機左下方的5個撥動開尖置為11110 （單步、手撥指令、組合、聯(lián)機、16位）；3. 按一下“ RESET按鍵；4. 通過16位的數(shù)據(jù)開笑SWH SWL置入16位的指令操作碼；5. 在手撥方式下，通過指示燈觀察各類基本指令的節(jié)拍。1

12、）選擇基本指令的A組指令中的ADD旨令，觀察其執(zhí)行流程：v1 置數(shù)據(jù)幵尖 SW=00000000 00000001 （是 add RO R1 指令）2按RESETS鍵；節(jié)拍指示燈T4T0顯示（）；（本節(jié)拍的功能與ADD旨令；（ARPC, PCPC+1；無尖，用于3按START按鍵；T3T0顯示（4按START按鍵；T4T0顯示（5按START按鍵；T4-T0顯示總清教學(xué)計算機系統(tǒng)）；（ROR0+R1揮作）.梧今結(jié)）；（讀內(nèi)存，IR讀出指令）;v6再按START按鍵，將返回到第3步，幵始下一條指令的執(zhí)行過過程;可以看至嘰屬于A組的全部指令（包括ADD SUB CMP AND XOR SHR SH

13、L INC、 DEC TEST OR MVRRJR、JRC JRNC JRZ JRNZ都是經(jīng)過（）個節(jié)拍來完成的。（）公共節(jié)拍（編碼為0000、0010）完成讀取指令，每條指令還要用（）節(jié)拍（0011）完 成自己特定的運算、處理功能。2）選擇B組指令中的LDRF指令，完成DR-SR助能，觀察其執(zhí)行流程v1置數(shù)據(jù)開尖 SW=10000001 DRSR ； （LDRR DRS 指令）v2按RESET按鍵，T4T0顯示（）；（總清教學(xué)計算機系統(tǒng)）v3按 START 按鍵,T4T0 顯示（）；（AF PC, PC PC+1v4按START按鍵，T4TO顯示（）；（讀內(nèi)存，IR讀出指令）v5按START

14、按鍵，T4T0顯示（）；（執(zhí)行LDRR旨令的第一步：送內(nèi)存地址，即AR JDR6按START按鍵，T4T0顯示（）；（執(zhí)行LDRF指令的第二步：讀、寫內(nèi)存或讀、寫 外設(shè) DR-DATA可以看至 B組的全部指令（包括JMPA LDRR IN、STRR PSHF PUSH OUT POP MVRD POPRET都是經(jīng)過（）個節(jié)拍來完成的。（）公共節(jié)拍（編碼：0000和0010）完成讀取指令，每條指令還要用（）節(jié)拍（0110、0100）分別完成傳送存儲器或I/O接口的地址，以及完成存儲器或I/O接口的讀寫操作。同樣的操作步驟，也可以查看基本指令集合中的子程序調(diào)用指令 （CALA）的6個執(zhí) 行步驟，在

15、0000、0010這2個節(jié)拍完成取指，在0110、0100這2個節(jié)拍完成讀出指 令的 第2個字并暫存，在0111、0101這2個節(jié)拍完成把PC的值寫入堆棧，并把暫存的子程序 地址送PG6 單步方式下，通過指示燈觀察各類基本指令的執(zhí)行步驟、實現(xiàn)功能、用到的控制信號 va選擇基本指令A(yù)組指令中的ADD指令1置撥動開尖 SW=00001011 0001000Q （指令 ADD）2先按“ RESEF按鍵；再連續(xù)按“ START按鍵，觀察每一步的節(jié)拍及控制信號如下表:卩拍指令操作碼MRABSSH；C85-30DCDC1000公共節(jié)拍100010訂01010010110010010000001110000

16、1000101010100101000001100000001100100010000 10000)00000100000000000000100110000000010000000001000011000001001000000vb選擇基本指令的B組指令中的LDRF指令，觀察其執(zhí)行過程中控制信號的變化，分析其作 用。v1置撥動開尖 SW=10000001 DRSR （指令 LDRR）v2先按“ RESET”按鍵；再連續(xù)按“ START按鍵，觀察每一步的節(jié)拍及控制信號 如下表：節(jié)拍編碼MRW,ABSSHSCl 8-6I5-3-0ssDCDC1000公共節(jié)拍0101010100101100100

17、1000000111000010001010101001010000011000000011001000100000000000001000000000000001011010000001100SR00000000001000000000110100100000010010000DR0000110001110000000007在連機情況下，用A命令從PCEC出輸入程序，運行后，將開尖撥到單步觀察指令的執(zhí)行步 驟、和用到的控制信號。此處一 LDRR指令為例，簡單介紹如下：用E命令從2000地址輸入如下數(shù)據(jù)：2000: 0036用A命令從2001地址開始建立如下程序；2001: MVRD R2,

18、2000/ ;把2000地址的內(nèi)容送到R2的低位2003: LDRR RO，R2 / ;將R2地址的內(nèi)容到送到R0的低位2004OUT 80；在屏幕上輸出顯示字符6，2005:JR 2000/；無條件跳轉(zhuǎn)到20002006RE17；每個用戶程序都必須用 RET指令結(jié)束2007/；按回車鍵即結(jié)束輸入過程運行后，將功能開尖最左邊一個撥到單步（上），假如說從2001這個地址停下來，從指示燈處觀察指令的控制信號和數(shù)據(jù)等等，表中公共節(jié)拍0000、0010只出現(xiàn)了一次,如下表所示。節(jié)拍地址指令數(shù)據(jù)MRWABSSHSCl 86I5-3I2-0SSTDC1DC2100010001010101001011001

19、00100000011100001000101010100101000001100000001100100010000000000000100000000000000101102001MVRD0000100010101010010100000110000000110100200220000010000001000001100011100000000001102003LDRR0000100001000000000010001000000000110100200000360010000000000001100011111100000001102004OUT000010000000000000001

20、0001110000100110100008000360100000000000000100010000000100000112005JR00001000101010100001100010100001000000112000E數(shù)據(jù)000010001100011000011000001001000000腹有詩書氣自華精品文檔你我共享基本指令的微程序入口地址映射表序號編碼入口地址1ADDSR0000 oooo04SUB DR* SR0000 0001Oo3AND DR, SR0000 001006OR DE* SRoooo ono07各r XOR DR, SR0000 Q100OS6CMF 呎

21、SR0000 OOH097P TEST DR： SRGOOD 0101OA8XtVRK DF, SROQQO QinO&9IXC DR0000 1001oc10DEC DUOQOQ 1000OD115HLDU0000 1010OE12SMR DRoooo ionOF13JRC OFFSET0100 QICO1014JRXC OFFSET0100 01011015JRZ OFFSET0100 01101016JRNM OFFSET0100 01111017JR OFFSET0100 0001111SIK PORT1000 OQIOIS均OUT FORT1000 01101220PSHF1000 010015PUSH DR1000 Q101Id22P POP DR1000 01111723POFF1QQ0 11001724STRR DR： , SR1000 00111925LORR D?t ; SR；1000 0001IB26MVRD D 瓦 DATA1QOO1OCOll27jmpQqr1000 ooooLE2SCALA ADE1100 1110IF29RETlooo mi23指導(dǎo)教師簽字：年 月曰出師表先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈