微程序控制器实验.docx

微程序控制器实验.docx

《微程序控制器实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微程序控制器实验.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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。

[此文档可自行编辑修改，如有侵权请告知删除，感谢您的支持，我们会努力把内容做得更好]