微程序控制器实验2.docx

实 验 项 目 实 验 目 的 实 验 设 备2015年10月31日微程序控制器实验实验时间（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。PC机一台，TD-CMA实验系统一套实 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 验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 原 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，用数字代码理 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3-2-1所示。图321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3-2-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，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。MVtri mm 。攻1 swm fHTIti M tras i厂嘲 tlU41 trsaIJ.$-i.*in or图-3-2 wt理J*控制警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MA5MA0显示当前地址（000000），M7M0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）， M23M16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。M勒留地址()I畔元置遂掴低咐(miooni )障元防数弗中驰(OOlOOfllC )IN单元置数抿御(CW1IOOH )r/ / / SCO5-SDOQ = mmIN = 0010001CIN = QQ11001IIX = (MM) E oomKK1 =停止KKJ =停止KKI =停止KK2 =编残KK2 =褊程K陌=编程KK4 =控存KX4 =控存KK4 =控存KK." = tNIJKKS =加IIK既=置数 st =nn / st =nn / st = n n /编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。以校骚)0H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M7M0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M23M16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M7M0 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。(0()0000 :Wt (00010001 :>M啤利示放 5(ocmn：:/ / SED5-SKM = 000000Mif =阳moooiKSl =停止KH =停止挪=瞄网=尴他=韩他=尚.艘=即肿"散 st =An / st = n n /很IC翰也微制(DQ11OOI1 )KH1 = fflt肿=梭验m =毓源=加1 si- = n n /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M23M16、M15M8、M7M0。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3-2-1:232221201918-1514-1211T8-6融3M22眇I0MS3-SD悖段踪段存段蜘 10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P<1>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3-2-3所示，图中I7I2为指令寄存器的第72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3-2-2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夕卜，还要用到N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3-2-4所示。IR单元的原理图如图3-2-5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。图 3-2-3 指令译码原理图而顼:CPL内曲钱1)7. I。纹电总线1:废救福f s.F。£5. . g啊电路D7. .IH钮作1：D7. DO助记符机器指令码说明INoa ia oooaIN R0ADDoaoo ooooRD-RQ R0OUToonoouuR0TCIUTHLTOJOJ 0000停机图3-2-7 R0原理图验安排了四条机器指令，分别为ADD (0000 0000)、N (0010 0000)、OU ：。1010000),括号中为各指令的二进制代码'指令格式如下：其余单元的控制信号均由微程序控制实验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出器自动产生，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°P<1> 为测试字，根据条件使微程序产生分支。1、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，说明总线地址高五位S3 SOA字段B字段c字段MA5*MA00000 00 010000000000000000000000010100 70 70000000000111ooo0011100000400 24 05OOOOC00000100100000001010&04 B2 01000001001Oil001000OOOOOl3000 14 040000000000010100000001003218 30 01000110000Oil0000000000013328 04 0100101000。OflO010moooooi3500 00 35000000000000000000110101实 验 步 骤有竞争现象，应关闭电源，检查接线，直到错误排除。wEllr网I.教IK忘线iUO1.7 n洒_血1仙LT72. 对微控器进行读写操作，分两种情况：手动读写和联机读写。1）手动读写（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M23M16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。2）联机读写（1）将微程序写入文件联机软件提供了微程序下载功能，以代替手动读写微控器，但微程序得以指定的格式写入到以txt 为后缀的文件中，微程序的格式如下：微指令格式说明：翎 XX XXXXXX T微指令代码十六进制地址 微指令标志如$M 1F 112233，表示微指令的地址为1FH，微指令值为11H （高）、22H （中）、33H （低）， 本次实验的微程序如下，其中分号七为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。（2）写入微程序用联机软件的“【转储】一【装载】”功能将该格式X.TXT）文件装载入实验系统。装入过程中， 在软件的输出区的结果栏会显示装载信息，如当前正在装载的是机器指令还是微指令，还剩 多少条指令等。（3）校验微程序选择联机软件的“【转储】一【刷新指令区】”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在 指令区显示。检查微控器相应地址单元的数据是否和表3-2-2中的十六进制数据相同，如果不同， 则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的微指令，先用鼠标左 键单击指令区的微存TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输 入6位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。.* 丈出丈*士出士 *骨火 * *: /;/ / ;/微搂器实验指令文件/;/;/By TangDu CO. f LIE/；/.,/w w左虫虫W A虫虫W Jt W 土虫出W *4 W WW虫W A 头虫W Jt出*比出*!W WW史/；/* Start Of MiCiOCOtrOller Dati * /SM 00000001;NOP$M 01007070；CON(INS)->IRf P<1>$M 04002405;R0->BSM 0504B201;A 加 B->IWSM 30Q01404;R0->ASM 32183001；ZN->R0SM 33280401;RO->OUTSM 35000035;NOP;/心虹 End Df Microcontroller Data 心心*/3. 运行微程序运行时也分两种情况：本机运行和联机运行。1）本机运行 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。2)联机运行联机运行时，进入软件界面，在菜单上选择【实验】-【微控器实验】，打开本实验的数据通路图，也可以通过工具栏上的下拉框打开数据通路图，数据通路图如图3-2-8所示。将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为'运行'档，按动CON单元的总清开关后，按动 软件中单节拍按钮，当后续微地址(通路图中的MAR)为000001时，置CON单元SD27-SD20, 产生相应的机器指令，该指令将会在下个T3被打入指令寄存器(IR),在后面的节拍中将执行这 条机器指令。仔细观察每条机器指令的执行过程，体会后续微地址被强置转换的过程，这是计算 机识别和执行指令的根基。也可以打开微程序流程图，跟踪显示每条机器指令的执行过程。按本 机运行的顺序给出数据和指令，观查最后的运算结果是否正确。实验结果如图所示:实 验 结 果输入数据助记符机器指令代码结果备注00010001IN0010 0000R0=11从IN单元读入数据到R0中ADD0000 0000R0=22R0和自身相加结果送到R0中OUT0011 0000OUT=22把R0的数据传送到OUT单元显示HLT0101 0000停机操作结 果 分 析在in单元中输入数据00010001, 使用CON单元的SD27SD20给出指令IN、ADD、OUT、 TMP、HLT的数据00100000、00000000、00110000、01010000,连续按动时序与操作台的开关 ST，观察电脑中的数据通路图记录数据。(1) 当CON单元输入指令代码00100000时，数据通路图中IN中的数据传送到R0中，R0中显示 R0=11,实现了从单元读入数据传送到R0中过程。(2) 当CON单元输入指令代码00000000时，数据通路图中A=11、B=11通过ALU运算器实现自 加后把结果传送给R0, R0中显示R0=22，实现了曰0和自身相加结果送到R0中的过程。(3) 当CON单元输入指令代码00110000时，数据通路图中把R0的数据传送到OUT中，OUT 显示OUT=22,实现了把R0的数据传送到OUT单元显示。(4) 当CON单元输入指令代码01010000时，实现停机操作。实 验 心 得通过刖两次试验对于线路整体的连接操作大体上熟练了许多，但是随着实验的级别、难度增 加，在本次试验的操作过程中，仍然遇到了难关一一实验操作用手动操作好，还是联机操作更好。 根据小组内讨论，最后选定了联机。还多亏指导老师的帮助才能顺利实现实验目的。本次试验还 弄清楚了实验原理，即每一条指令的含义，收获非常大。