实验三微程序控制器实验.docx

实验三微程序控制器实验3.2。1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，观察微程序的运行过程.3。2.2实验设备PC机一台，TDCMA实验系统一套。3.2.3实验原理微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可 以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就 是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数 字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令， 这种微指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器，微程序 控制器原理框图如图321所示.图3-2-1微程序控制器组成原理框图控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的， 从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由时序单元来提供, 分为四拍TS1、TS2、TS3、TS4，时序单元的介绍见附录2。微程序控制器的组成见图322，其中控制存储器采用3片2816的E沙ROM，具有掉 电保护功能，微命令寄存器18位,用两片8D触发器(273)和一片4D (175)触发器组成. 微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双。触发器(74)组成，它们带有清“0"端和预置端. 在不判别测试的情况下,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 进行测试判别时，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置为“1”状 态，完成地址修改。ILCITSCPDL >4<P >3<P >2<P >1<PB_CPB_PSB_IRB_DRB_SR B_ULARIDLRADL DAOL PSDL iRDLBDLADL0S1S2S3SMOIDRRWATNI32MC元单0P 1P2X机片单图3-2-2微程序控制器原理图在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5（位于时序与操作台单元），可实现 对存储器（包括存储器和控制存储器）的三种操作：编程、校验、运行。考虑到对于存储器 （包括存储器和控制存储器）的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中，实验平台提供了 便利的手动操作方式。以向00H单元中写入332211为例，对于控制存储器进行编辑的具体 操作步骤如下：首先将KK1拨至'停止'档、KK3拨至'编程'档、KK4拨至'控存'档、KK5拨至置数档，由CON单元的SD05SD00开关给出需要编辑的控存单元首地址 （000000） ,IN单元开关给出该控存单元数据的低8位（00010001），连续两次按动时序与 操作台单元的开关ST（第一次按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据，第二次按 动后显示当前改动的数据），此时MC单元的指示灯MA5-MA0显示当前地址（000000）,M7 M0显示当前数据（00010001）.然后将KK5拨至加1档，IN单元开关给出该控存单 元数据的中8位（00100010），连续两次按动开关ST，完成对该控存单元中8位数据的修改， 此时MC单元的指示灯MA5MA0显示当前地址（000000），M15M8显示当前数据 （00100010）；再由IN单元开关给出该控存单元数据的高8位（00110011），连续两次按动 开关ST，完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的指示灯MA5MA0显示当前 地址（000000），M23-M16显示当前数据（00110011）。此时被编辑的控存单元地址会自动 加1（01H），由IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8位、中8位和高8位配合每次 开关ST的两次按动，即可完成对后续单元的编辑.CON单元置地址（000000 ）IN单元置数据低8位（00010001 ）IN单兀置数据中8位（00100010 ）I-IN单兀置数据高8位（00110011 ）/ SD05-SD00 =000000IN = 00010001KK1 =停止KK3 =编程KK4 =控存 KK5 =置数n / ST =/ IN = 00100010KK1 =停止KK3 =编程KK4 =控存k KK5 =理/ST =/ IN = 00110011KK1 =停止KK3 =编程KK4 =控存t富=j加1n>编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。以校验00H单元为例，对于控制存储器进 行校验的具体操作步骤如下：首先将KK1拨至停止档、KK3拨至校验档、KK4拨至 控存'档、KK5拨至置数档。由CON单元的SD05SD00开关给出需要校验的控存单 元地址（000000），连续两次按动开关ST，MC单元指示灯M7-M0显示该单元低8位数据 （00010001）;KK5拨至加1档，再连续两次按动开关ST，MC单元指示灯M15M8显 示该单元中8位数据（00100010）；再连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M23-M16显示该 单元高8位数据（00110011）。再连续两次按动开关ST，地址加1，MC单元指示灯M7-M0 显示01H单元低8位数据.如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再 进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。位于实验平台MC单元左上角一列三个指示灯MC2、MC1、MC0用来指示当前操作的微程 序字段，分别对应M23-M16、M15-M8、M7-M0.实验平台提供了比较灵活的手动操作方 式，比如在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至减1档，则每次随着开关ST的 两次拨动操作，字节数依次从高8位到低8位递减，减至低8位后，再按动两次开关ST， 微地址会自动减一，继续对下一个单元的操作。微指令字长共24位，控制位顺序如表321：表321微指令格式23221918-1514-1211-98-65-0M23M22_WR_皿IOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A字段B字段C字段141312诜择.1110_9_诜择_8_7_6-诜择_0_0_0_NOP_0_0_0_NOP_0_0_0_NOP_0_0_.1LDA_0_0_1ALU_B_0_0_P<1>_0_.1_0_LDB_0_.1_0_R0B_0_.1_0_保留_0_.1.1LDR0_0_-1-1保留_0_.1-1保留_!_0_0_保留_±_0_0_保留_1_0_0_保留1_0_.1保留_0_-1保留-1_0_保留_!.1_0_保留_±_-1_0_保留_1.1_0_保留.1-1-1LDIR-1-1保留-1-1-1保留其中MA5-MA0为6位的后续微地址,A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码 出多位。C字段中的P1为测试字位.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，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支本系统上 的指令译码原理如图3-23所示，图中I7-I2为指令寄存器的第7-2位输出，SE5-SE0 为微控器单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在IR单元的INS_DEC (GAL20V8) 中实现.从图322中也可以看出，微控器产生的控制信号比表3-2 1中的要多，这是因为 实验的不同，所需的控制信号也不一样，本实验只用了部分的控制信号。本实验除了用到指令寄存器(IR)和通用寄存器R0外，还要用到IN和OUT单元，从微 控器出来的信号中只有IOM、WR和RD三个信号，所以对这两个单元的读写信号还应先经过 译码，其译码原理如图3-24所示°IR单元的原理图如图3-25所示，R0单元原理如图 3-2-7所示，IN单元的原理图见图2-1-3所示,OUT单元的原理图见图3-2-6所示。IOMRDT3WRXMRDXMWRXIOWXIOR图 3-23图325 IR单元原理图图324读写控制逻辑七段数码管(H)_ag译码电路D7.D4T.七段数码管(L)锁存(273)g译码电路.DOR0_BLDR0T4D7.D0数据总线LED_BIOWD7.D0CPU内总线图3-2-6 OUT单元原理图图3-27 R0原理图本实验安排了四条机器指令，分别为ADD (0000 0000)、IN (0010 0000)、OUT (0011 0000) 和HLT(0101 0000)，括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下：助记符机器指令码说明IN0010 0000IN T R0ADD0000 0000R0 + R0 T R0OUT0011 0000R0 T OUTHLT0101 0000停机实验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出，其余单元的控制信号均由微程序控 制器自动产生，为此可以设计出相应的数据通路图，见图3-2-8所示。几条机器指令对应的参考微程序流程图如图3-2-9所示。图中一个矩形方框表示一条 微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的数字是该条指令的微地址，右下角 的数字是该条指令的后续微地址，所有微地址均用16进制表示。向下的箭头指出了下一条要 执行的指令.P1为测试字，根据条件使微程序产生分支。图32-8数据通路图01图3-2-9微程序流程图将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码，可得到表3-2-2的二进制代码表。表32-2二进制微代码表地址十六进制高五位S3-S0入字段B字段C字段MA5MA00000 00 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013.2.4实验步骤1. 连接实验线路按图3-2-10所示连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。如果有滴报警声， 明总线有竞争现象，应关闭电源，检查接线，直到错误排除。控制总线T1T2T3T4图3-2-10实验接线图GND时序与操作台单元 LDIRP<1>D7SE5.SE02. 对微控器进行读写操作（1）手动对微控器进行编程（写） 将时序与操作台单元的开关KK1置为停止档，KK3置为编程档，KK4置为控 存档,KK5置为置数'档。 使用CON单元的SD05SD00给出微地址,IN单元给出低8位应写入的数据，连续 两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的低8位。 将时序与操作台单元的开关KK5置为加1档. IN单元给出中8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单 元的数据写到该单元的中8位。IN单元给出高8位应写入的数据，连续两次按动时序与操 作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的高8位. 重复、四步，将表3-2-2的微代码写入2816芯片中.（2）手动对微控器进行校验（读） 将时序与操作台单元的开关KK1置为'停止档,KK3置为'校验'档，KK4置为'控 存'档，KK5置为'置数档。 使用CON单元的SD05SD00给出微地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC单元的指数据指示灯M7M0显示该单元的低8位. 将时序与操作台单元的开关KK5置为'加1'档。 连续两次按动时序与操作台的开关ST,MC单元的指数据指示灯M15M8显示该单元的中8位，MC单元的指数据指示灯M23 M16显示该单元的高8位。 重复、四步完成对微代码的校验。如果校验出微代码写入错误，重新 写入、校验，直至确认微指令的输入无误为止.3. 运行微程序 将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为'运行档，按动CON单元的CLR按钮， 将微地址寄存器（MAR）清零，同时也将指令寄存器（IR）、ALU单元的暂存器A和暂存器B 清零。 将时序与操作台单元的开关KK2置为'单拍'档，然后按动ST按钮，体会系统在T1、 T2、T3、T4节拍中各做的工作°T2节拍微控器将后续微地址（下条执行的微指令的地址） 打入微地址寄存器，当前微指令打入微指令寄存器，并产生执行部件相应的控制信号；T3、 T4节拍根据T2节拍产生的控制信号做出相应的执行动作，如果测试位有效，还要根据机器指 令及当前微地址寄存器中的内容进行译码，使微程序转入相应的微地址入口,实现微程序的 分支。 按动CON单元的CLR按钮，清微地址寄存器（MAR）等，并将时序与单元的开关KK2 置为单步档。 置IN单元数据为00100011，按动ST按钮，当MC单元后续微地址显示为000001时， 在CON单元的SD27-SD20模拟给出IN指令00100000并继续单步执行，当MC单元后续微地 址显示为000001时，说明当前指令已执行完；在CON单元的SD27-SD20给出ADD指令 00000000，该指令将会在下个T3被打入指令寄存器（IR），它将R0中的数据和其自身相加 后送R0；接下来在CON单元的SD27-SD20给出OUT指令00110000并继续单步执行，在MC 单元后续微地址显示为000001时，观查OUT单元的显示值是否为01000110。