《計算機組成原理》學院：計算機學院專業：班級學號： 學生姓名： 實驗日期： 2010.12.14指導老師： \ 成績評定： 五邑大學信息學院計算機組成原理實驗室實驗五微程序設計實驗一、 實驗目的：深入掌握微程序控制器的工作原理，學會設計簡單的微程序。二、 預習要求：復習微程序控制器工作原理；復習計算機微程序的有關知識。三、 實驗設備：EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統一臺，連接線若干。四、微程序的設計：1.微指令格式設計微指令編碼格式的主要原則是使微指令字短、能表示可并行操作的微命令多、微程序編寫方便。微指令的最基本成份是控制場，其次是下地址場。控制場反映了可以同時執行的微操作，下地址場指明下一條要執行的微指令在控存的地址。微指令的編碼格式通常指控制場的編碼格式，以下幾種編碼格式較普遍。1）最短編碼格式這是最簡單的垂直編碼格式，其特點是每條微指令只定義一個微操作命令。采用此格式的微指令字短、容易編寫、規整直觀，但微程序長度長，訪問控存取微指令次數增多從而使指令執行速度慢。2） 全水平編碼格式這種格式又稱直接編碼法，其特點是控制場每一位直接表示一種微操作命令。若控制場長n位，則至多可表示n個不同的微操作命令。采用此格式的微指令字長，但可實現多個允許的微操作并行執行，微程序長度短，指令執行速度快。3） 分段編碼格式是將控制場分成幾段。若某段長i位，則經譯碼，該段可表示2i個互斥的即不能同時有效的微操作命令。采用這種格式的微指令長度較短，而可表示的微操作命令較多，但需譯碼器。2.微程序順序控制方式的設計微程序順序控制方式指在一條指令對應的微程序執行過程中，下一條微指令地址的確定方法，又叫后繼地址生成方式。下面是常見的兩種。1）計數增量方式這種方式的特點是微程序控制部件中的微地址中的微地址產生線路主要是微地址計數器MPC。MPC的初值由微程序首址形成線路根據指令操作碼編碼形成。在微程序執行過程中該計數器增量計數，產生下一條微指令地址。這使得微指令格式中可以不設置“下地址場”縮短了微指令長度，也使微程序控制部件結構較簡單。但微程序必須存放在控存若干連續單元中。2)斷定方式微指令中設有“下地址場”，它指出下條微指令的地址，這使一條指令的微程序中的微指令在控存中不一定要連續存放。在微程序執行過程中，微程序控制部件中的微地址形成電路直接接受微指令下地址場信息來產生下條微指令地址，微程序的首址也由此微地址形成電路根據指令操作碼產生。本系統的微指令格式微程序設計的關鍵技術之一是處理好每條微指令的下地址，以保證程序正確高效地進行。本系統采用分段編碼的指令格式，采用斷定方式確定下一條微指令的地址。微操作控制信號控制場下地址場微指令寄存器MIR微指令控存CM"微地址狀態條件—微地址形成電路tL 指令操作碼圖5-2斷定方式微程序控制部件示意圖其中“微地址形成電路”對應于實驗四的圖4-1(b)；"控存CM”對應于實驗四的圖4-1(a)；“微指令寄存器及控制、地址場”對應于實驗四的圖4-1(c)。每條微指令由24位組成，其控制位順序如下:24:2322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0微指令譯碼電路如下::3-,A-Ai二J<>I二,：!：<>74LS138-n：qE3目[3冥RR艮昌m微指令譯碼電路如下::3-,A-Ai二J<>I二,：!：<>74LS138-n：qE3目[3冥RR艮昌m告M74LS13SPAJ W目目呂WR艮芬口莒g74L-S13E日PA。 舀目臼~|O4—J—|y.r：ctrir<i寸‘門pr--O'O-O'OOO'O-O'tr-i寸■-■-1'or--OOOO'O'OOO'i匕riMn-ito寸ot-otF-i-FHot"-74LS273whtrir<i十‘門 i—i|_]口白舟口口戶口日u-o74LJ3273tri寸‘門gr--s|_]t74LU175S22S二，T-|十o—*—I—I—Ir-i5ritsi6-rits9■d-Ki<1二1—1yTIitS^4-IitS17T2"j-JO2j*—i■—iY—i—*-■H'——-4-CLR圖5—3微指令譯碼電路圖中MS24—MS16對應于微指令的第24—16位，S3S2S1S0MCn為運算器的方式控制，詳見實驗一和實驗二；WE為外部器件的讀寫信號，‘1’表示寫，‘0’表示讀；1A、1B用于選通外部器件，通常接至底板IO控制電路的1A1B端，四個輸出Y0Y1Y2Y3接外部器件的片選端。（注：再實驗六及以后的實驗中，Y3被系統占用，用于輸入中斷，Y0Y1Y2仍能被用戶使用）圖5—3中MS15—MS13對應于微指令中的F1，經鎖存譯碼后產生6個輸出信號：LRi、LDR1、LDR2、LDIR、LOAD、LAR。其中LDR1、LDR2為運算器的兩個鎖存控制（見實驗一）；LDIR為指令寄存器的鎖存控制（見系統介紹中指令寄存器電路）；LRi為寄存器堆的寫控制，它與指令寄存器的第0位和第1位共同決定對哪個寄存器進行寫操作（見系統介紹中寄存器堆電路和圖5-4）；LOAD為程序計數器的置數控制，LAR為地址寄存器的鎖存控制（見系統介紹中程序計數器和地址寄存器電路）。以上6個輸出信號均為‘1’有效。圖5—3中MS12—MS10對應于微指令中的F2，經鎖存譯碼后產生6個輸出信號：RAG、RBG、RCG、299-G、ALU-G、PC-G。其中RAG、RBG、RCG分別為寄存器Ax、Bx、Cx的輸出控制（見系統介紹中寄存器堆電路）；299-G為移位寄存器的輸出控制（見實驗二）；ALU-G為運算器的輸出控制（見實驗一）；PC-G為程序計數器的輸出控制（見系統介紹中程序計數器和地址寄存器電路）。以上

信號均為‘0’有效。圖5—3中MS9—MS9對應于微指令中的F3,經鎖存譯碼后產生6個輸出信號：P1、P2、P3、P4、AR、LPC。其中P1、P2、P3、P4位測試字，其功能是對機器指令進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現微程序的順序、分支和循環運行（見實驗4的圖4-1（b）和圖5-4）；AR為運算器的進位輸出控制（見實驗一）；LPC為程序計數器的時鐘控制（見系統介紹中程序計數器電路）。以上信號均為‘1’有效。Z：＜DECODED.J3cS-I■linnH.1Y11N81■|1ZN般TONZ：＜DECODED.J3cS-I■linnH.1Y11N81■|1ZN般TONTZIHU1NV21N02NVZ2NmNi W泠DEC帥ER圖5-4指令譯碼器電路微指令中的uA5-uA0為6位的后續微地址（見實驗4的微地址形成電路圖4-1（b））。表5-1 F1、F2、F3三個字段的編碼方案F1字段F2字段F3字段151413選擇121110選擇987選擇000LDRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011自定義011自定義011自定義100LDR1100RBG100P2101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299-G110P4111無操作111無操作111無操作五、實驗內容：編寫幾條可以連續運行的微代碼，熟悉本實驗系統的微代碼設計方式。表5-2為幾條簡單的可以連續運行的二進制微代碼表：注意UA5 UA0的編碼規律，觀察后續地址。表5-2實驗五微代碼表微地址（二進制）S3S2S1S0MCNWE1A1BF1F2F3UA5...UA0000000000000000000000000000001000001000000000000000000000010000010000000000000000000000011000011000000010101111111000100000100000000010010111111001000001000000000000000111000001001001001000000011101101101010000010000000000011101101101010101010101000001101111001111011000011000111111110111001111011001011001000000010111111000000000以下舉例說明微代碼的含義：1、 微地址“000011”：讀Y1設備上的數據，并將該數據打入地址寄存器。然后跳轉至微地址“000100”。2、 微地址“000100”：讀Y1設備上的數據，并將該數據打入運算暫存器2,然后跳轉至微地址“001000”。3、微地址“011000”：運算暫存器1數據輸出至數據總線，將該數據寫入Y1設備，然后跳轉至微地址“011001”。4、微地址“011001”：讀Y1設備上的數據，然后進行P1測試。由于未對指令寄存器操作，I7-I0均為0，強制置位無效，仍跳轉至后續微地址“000000”。六、實驗步驟：1、 單片機鍵盤操作方式實驗在進行單片機鍵盤控制實驗時，必須把K4開關置于“OFF”狀態，否則系統處于自鎖狀態，無法進行實驗。1.實驗連線：實驗連線圖如圖5-5所示。連線時應按如下方法：對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。微控罪接口IuaqI圖5—5實驗五鍵盤實驗連線圖寫微代碼：將開關K1K2K3K4撥到寫狀態即K1off、K2on、K3off、K4off,其中K1、K2、K3在微程序控制電路，K4在24位微代碼輸入及顯示電路上。在監控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態下按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入05或5,按【確認】鍵，顯示為【ES05】，再按下【確認】鍵。監控顯示為【CtL1=_】，表示對微代碼進行操作。輸入1顯示【CtL1_1】，表示寫微代碼，按【確認】。監控顯示【U-Addr】，此時輸入【000000】6位二進制數表示的微地址，然后按【確認】鍵，監控指示燈顯示【U_CodE】，這時輸入微代碼【000001】，該微代碼是用6位十六進制數來表示前面的24位二進制數，注意輸入微代碼的順序，先右后左，此過程中可按【取消】鍵來取消上一次輸入，重新輸入。按【確認】鍵則顯示PULSE】，按【單步】完成一條微代碼的輸入，重新顯示U-Addr】提示輸入表5-3第二條微代碼地址。按照上面的方法輸入表5-3微代碼，觀察微代碼與微地址顯示燈的對應關系(注意輸入微代碼的順序是由右至左)。表5—3實驗五微代碼表微地址(二進制)微代碼(十六進制)000000000001000001000002000010000003000011015FC4000100012FC8001000018E09001001005B50010000005B5501010106F3D8011000FF73D9011001017E00讀微代碼：（1） 先將開關K1K2K3K4撥到讀狀態即K1off、K2off、K3on、K4。￡￡按【RESET】按鈕對單片機復位，使監控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態。（2）按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入05或5,按【確認】鍵，顯示【ES05】。按【確認】鍵。（3）監控顯示【CtL1=_】時，輸入2,按【確認】顯示【U_Addr】，此時輸入6位二進制微地址，進入讀微代碼狀態。再按【確認】顯示【PULSE]，此時按【單步】鍵，監控顯示【U_Addr】，微地址指示燈顯示輸入的微地址，微代碼顯示電路上顯示該地址對應的微代碼，至此完成一條微指令的讀過程。對照表5-3表檢查微代碼是否有錯誤，如有錯誤，可按步驟2寫微代碼重新輸入這條微代碼。微代碼的運行：（1） 先將開關K1K2K3K4撥到運行狀態即K1on、K2off、K3on、K4。￡￡按【RESET】按鈕對單片機復位，使監控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態。（2）按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入05或5,按【確認】鍵，顯示【ES05】。按【確認】鍵。（3） 監控指示燈顯示【CtL1=_】，輸入3,顯示【CtL1_3】，表示進入運行微代碼狀態，撥動CLR清零開關（在控制開關電路上，注意對應的JUI應短接）對程序計數器清零，清零結果是地址指示燈（A7-A0）和微地址顯示燈（uA5—uA0）全滅，清零步驟是使其電平高一低一高即CLR指示燈狀態為亮一滅一亮，使程序入口地址為000000。1） 、單步運行在監控指示燈顯示【CtL1_3】狀態下，確認清零后，按【確認】鍵，監控指示燈滾動顯示【RunCodE],此時可按【單步】鍵單步運行微代碼，觀察微地址顯示燈，顯示“000001”，再按【單步】，顯示為“000010”，連續按【單步】，則可單步運行微代碼，注意觀察微地址顯示燈和微代碼的對應關系。2） 、全速運行在控指示燈滾動顯示【RunCodE】狀態下，按【全速】鍵，開始自動運行微代碼，微地址顯示燈顯示從“000000”開始，到“000001”、“000010”、“000011”、“000100”、“001000”、“001001”、“010000”、“010101”、“011000”、“011001”再到“000000”，循環顯示。II、開關控制操作方式實驗

本實驗中所有控制開關撥動，相應指示燈亮代表高電平“1”，指示燈滅代表低電平“0”。為了避免總線沖突，首先將控制開關電路的所有開關撥到輸出高電平“1”狀態，所有對應的指示燈亮。連線時應注意：對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。1.按圖5-6接線圖接線:微控器接口TTAJ]|圖5—巳實驗五開關安驗招線圖2.實驗步驟：1）寫微代碼（以寫表5-3的微代碼為例）：首先將微程序控制電路上的開關K1K2K3撥到寫入狀態，即K1off、K2on、K3off，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關K4撥到on狀態。置控制開關UA5......UA0=“000000”，輸入微地址“000000”，置24位微代碼開關MS24---MS1為：“000000000000000000000001”，輸入24位二進制微代碼，按【單步】，紅色微地址燈顯示“000000”，寫入微代