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微程序控制器实验
实验项目
微程序控制器实验
实验时间
2015年10月31日
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。
实验设备
PC机一台,TD-CMA实验系统一套
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3-2-1所示。
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D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。
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SD05——SD00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MA5——MA0显示当前地址(000000),M15——M8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MA5——MA0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。
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SD05——SD00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M15——M8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3-2-1:
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3-2-4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。
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。
P<1>为测试字,根据条件使微程序产生分支。
实验原理
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。
实验步骤
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,说明总线有竞争现象,应关闭电源,检查接线,直到错误排除。
2.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)
①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。
②使用CON单元的SD05——SD00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。
③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。
④IN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。
⑤重复①、②、③、④四步,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)
①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。
②使用CON单元的SD05——SD00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M7——M0显示该单元的低8位。
③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。
④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M15——M8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。
⑤重复①、②、③、④四步,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:
如$M1F112233,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‘;’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】—【装载】”功能将该格式(*.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】—【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。
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
①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。
②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。
③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。
④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
输入数据
助记符
机器指令代码
结果
备注
00010001
IN
00100000
R0=11
从IN单元读入数据到R0中
ADD
00000000
R0=22
R0和自身相加结果送到R0中
OUT
00110000
OUT=22
把R0的数据传送到OUT单元显示
HLT
01010000
停机操作
实验结果如图所示:
结果分析
在IN单元中输入数据00010001,使用CON单元的SD27——SD20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IN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R0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
通过前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——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。
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