计组实验报 微程序控制单元实验指令部件模块实验时序与启停实验.docx
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计组实验报微程序控制单元实验指令部件模块实验时序与启停实验
姓名
学号
班级
年级
指导教师
信息学院
《计算机组成原理》实验报告
实验名称微程序控制单元实验、指令部件模块实验、时序与启停实验
实验室实验楼418实验日期2012-12-12、2012-12-14、2012-12-19
实验一微程序控制单元实验
一、实验目的
1.掌握时序产生器的组成方式。
2.熟悉微程序控制器的原理。
3.掌握微程序编制及微指令格式。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目，熟悉微程序的编制、写入、观察运行状态。
三、实验原理
图3-1-1微控制器原理
1.微程序控制电路
微程序控制器的组成见图3-1-1，其中控制存储器采用4片6116静态存储器，微命令寄存器32位，用三片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，他们带有清零端和指数端。
再不判别测试的状态下，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时刻进行测试判断时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过置位端将某一触发器输出端置为“1”状态，完成地址修改。
2.微指令格式
表3-1-1
M25
M24
M23
M22
M21
中断
M19
M18
M17
M16
C
B
A
AR
保留位
PX3
A9
A8
CE
LOAD
M15
M14
M13
M12
M11
M10
M9
M8
M7
M6
CN
M
S0
S1
S2
S3
PX2
LDAR
LDPC
LDIR
M5
M4
M3
M2
8
7
6
5
4
3
M1
M0
LDDR2
LDDR1
LDDR0
WE
UA0
UA1
UA2
UA3
UA4
UA5
PX1
SW-B
A字段
C
B
A
选择
0
0
0
禁止
0
0
1
PC-B
0
1
0
ALU-B
0
1
1
299-B
1
0
0
R0-B
1
0
1
R1-B
1
1
0
R2=B
1
1
1
保留位
B字段
中断
M9
M1
选择
测试字
PX3
PX2
PX1
0
0
0
关闭测试
0
0
1
P
（1）
识别操作码
0
1
0
P
（2）
判寻址方式
0
1`
1
P（Z）
Z标志测试
1
0
0
P（I）
中断响应
1
0
1
P（D）
中断服务
1
1
0
P（C）
C标志测试
1
1
1
保留位
其中UA5～UA0为6位的后继微程序地址，A、B二译码字段，分别由6个控制位译码输出多位。
B字段的PX3、PX2、PX1三个测试字位，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，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。
3.微程序流程与代码
图3-1-2为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到模型机
（一）所列举的8位指令代码。
图3-1-3微程序流程图
四、实验内容及数据分析
（一）微程序的编写
为解决微程序的编写，可根据微地址和微指令格式将微指令代码以快捷方式写入到微程序控制单元。
具体的操作方法是按动位于实验装置右中侧的【复位】键使系统进入初始待命状态。
再按动【增址】键使工作方式提示位显示“H”（按键模式）。
微程序存储器读写的状态标志是：
显示器上显示8个数字，左边1、2位显示实验装置的当前状态，左边3、4位显示区域号（区域的分配见表3-1-2），左边5、6位数字是微存储单元地址，硬件定义的微地址线是ua0～ua5共6根，因此它的可寻址范围为00H～3FH;右边2位数字是该单元的微程序，光标在第7位与第8位之间，表示等待修改单元内容。
特征码区域号微地址微程序
（状态位）（0～3）（0～3F）（8位）
区域号
微程序区对应位空间
对应位控制功能
0
31……………24
C
B
A
AR
保留
PX3
A9
A8
1
23……………16
CE
AD
CN
M
S0
S1
S2
S3
2
15……………8
PX2
AR
PC
IR
DR2
DR1
Ri
WE
3
7……………0
U0
U1
U2
U3
U4
U5
PX1
SW
表3-1-2区域分配表
用【读】命令键可以对微程序存储器进行检查（读出）或更改（写入）。
对微程序存储器读写，一般先按MON，使实验系统进入初始待命状态。
然后输入所要访问的微程序区域地址，再按【读】命令键，实验系统便以该区域的00H作为起始地址，进入微程序存储器读写状态。
下面举例说明操作规程：
按键
8位LED显示
说明
【返回】
D
Y
-
H
p
返回初始待命状态
【读】
D
Y
-
H
P
初始待命状态，按【读】键无效
0
D
Y
-
H
0
按数字键0，从0区域0地址开始
【读】
C
n
0
0
0
0
X
X
按【读】命令键，经入微程序读状态，左边第3位起显示00（区域号）、00（微地址）、XX（该微程单元的内容）光标闪动至第7位
55
C
n
0
0
0
0
5
5
按55键，将内容写入00区域00H单元
【增值】
C
n
0
0
0
1
X
X
按【增值】命令键，读出00区域的下一个单元01H，光标重新移至第7位
AA
C
n
0
0
0
1
A
A
按【AA】键，将内容写入00区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P
返回初始待命状态
1
D
Y
-
H
1
再按数字键1，从1区域0地址开始
【读】
C
n
0
1
0
0
X
X
按【读】命令键，进入微程序读状态，左边第3位起显示01（区域号）、00（微地址）、XX（该微程序单元的内容）光标闪动移至第7位
55
C
n
0
1
0
0
5
5
按55键，将内容写入01区域00H单元
【增值】
C
n
0
1
0
1
X
X
按【增值】命令键，读出01区域下一个单元01H，光标重新移至第7位
AA
C
n
0
1
0
1
A
A
按AA键，将内容写入01区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P
按【返回】退出存储操作返回初始状态
按以上操作规程，通过键盘在微地址00H单元所对应的四个区域地址分别输入55H，在微地址01H单元所对应的四个区域地址分别输入0AAH。
（二）手动方式下的微地址打入操作
（1）微地址控制原理
图3-1-4微地址控制原理
（2）微地址控制单元的实验连接
图3-1-5
按上图3-1-5所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图3-1-5中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线于控制信号“
”连接：
用双头实验导线连接上图中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号以作内部连接）。
（3）微地址的打入操作
在“L”状态下，首先置SW-B=0，然后向数据开关置数，再按【单步】键，在机器周期的T2时刻把数据开关的内容打入微地址锁存器。
实验步骤如下：
（4）微地址的修改与转移
按图3-1-4所示，微地址锁存器的位置端R受SE5～SE0控制，当测试信号SE5～SE0输出负脉冲时，通过锁存器的位置端R将某一锁存器的输出端强行置“1”，实现微地址的修改与转移。
对指令译码器寄存器IR分别打入微地址流程定义的操作码20H、40H、60H、0A0H，然后打入流程图定义的基地址08H，按【单步】键，在机器周期T4节拍按微地址控制流程对IR指令寄存器的内容进行测试和判别，使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
举例操作如下：
①当IR寄存器为20H、微地址为08H时，按【单步】键后微地址为09H。
②当IR寄存器为60H、微地址为08H时，按【单步】键后微地址为0BH。
（5）结果分析
首先我们进行了微程序的编写操作，按照实验步骤，验证了操作规程里的举例，并观察了实验装置各个部分的显示变化，实验结果与预期相符。
接着，又进行了微地址的打入操作，该操作与编写操作的不同之处是：
本操作在“L”（手动模式）状态下进行的，而前者是在“H”（按键模式）状态下进行的。
按照微地址打入操作的实验步骤，先向缓冲输入中置数00000001，按【单步】键后观察到微地址单元的UA5～UA0六位微地址灯显示为000001.最后是微地址的修改与转移实验，依旧对照实验步骤操作，先进行了验证性实验，当IR寄存器为40H、微地址为08H时，按【单步】键后微地址显示为0AH。
当地址总线单元显示08H时，指令寄存器显示下一条令地址0AH.在操作正确的情况下，实验结果与预期一致；然后对照实验原理图和微程序流程图进行分析。
通过分析微地址原理图可知，将数据打入输入端后经过一个245三态门将其分别传给三片双D触发器记录二进制位数，在T2脉冲配合下和SE5～SE0控制R使双D触发器有效时，将数据开关的内容打入微地址锁存器，并将输出信号显示在微地址灯上，且只有该位信号为“1”时，对应的微地址灯才会亮。
故当我们输入00000001时，D0=1，所以UA0对应的微地址灯会亮。
对指令译码器寄存器IR分别打入微地址流程定义的操作码20H、40H、60H、0A0H，然后打入流程图定义的基地址08H，按【单步】键，在机器周期T4节拍按微地址控制流程对IR指令寄存器的内容进行测试和判别，使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
微控制器分析：
四片6116存储微指令，先把微控制流程定义的操作码打入IR,通过SE5～SE0控制分别传给了三片双D触发器，记录二进制位数，在T2时序节拍有效时，将信号在Q端输出，微地址灯显示相应的微地址。
其中三片6116与三片273（8D触发器）相连接受26位微代码控制信号，另一片6116将其高6位传给三片双D触发器，另外两位信号连接175（4位锁存器）控制时钟信号和清零端。
微程序流程图分析：
第一条指令：
进行取指令操作。
从地址寄存器中取出RAM的地址，并做好取下一条机器指令的准备；第二条指令：
从RAM中取出一条微指令，将其放入指令寄存器中，并对机器指令的操作码用P
（1）进行判别测试；第三条指令：
若指令寄存器中的微指令地址为20H，则通过测试后，PC会指向20H，执行输入操作，最后又返回初始状态；若指令寄存器中的微指令地址为40H，则通过测试后，PC会指向40H，执行加法操作，最后又返回初始状态，若指令寄存器中的微指令地址为60H，则通过测试后，PC会指向60H，执行存数操作，最后又返回初始状态，若指令寄存器中的微指令地址为80H，则通过测试后，PC会指向80H，执行输出操作，最后又返回初始状态，若指令寄存器中的微指令地址为0A0H，则通过测试后，PC会指向0A0H，执行跳转操作，最后又返回初始状态。
故当IR寄存器置为40H、微地址置为08H时，按【单步】键后微地址显示为0AH。
当地址总线单元显示08H时，指令寄存器显示下一条令地址0AH.
五、实验总结
这次实验较前几次实验复杂，开始时对微指令的工作原理并不是很清楚，做实验也是按照书上的步骤进行验证，但通过老师的讲解和对实验原理的分析，对其渐渐明晰起来，但由于还不能编写具有实际功能的微程序，只是掌握了如何编址及微指令的格式。
实验二指令部件模块实验
一、实验目的 ⒈掌握时序产生器的组成方式。
⒉熟悉指令产生的原理。
二、实验要求 按照实验步骤完成实验项目，完成将数据打入IR寄存器的数据打入PC指针式寄存器，PC指针自动加1。
三、指令部件模块的构成 ⑴如实验电路图3-2-1所示，2片74LS163作为8位PC程序计数器的8位输入/输出公用端用8芯扁平线与BUS总线接口相连接。
图3-2-1程序计数器单元
2片74LS163组成了PC程序计数器，它有LDPC、LOAD信号，脉冲T3来控制PC指针的装载和加1操作。
在“L”状态下，由8位置数开关装入起始地址，当LOAD=1、LDPC=1时，按【单步】命令键，在T3上升沿把数据开关的内容装入PC。
当CBA=001、LOAD=0、LDPC=1、LDAR=1时，按【单步】命令键，在单周期四节拍时序的T2时刻打开PC-B三态门，在T3时刻PC值通过总线打入地址寄存器、同时PC值加1。
分析：
数据→PC→AR（存放当前CPU访问的地址）→PC+1（具体见结果分析） ⑵如下图3-2-2所示，1片74LS273作为指令寄存器单元，其8位输入端与BUS总线之间实验装置已作连接，其输出端用一8芯扁平线与SE5~SE0接口连接。
图3-2-2指令寄存器单元
指令数据寄存器IR（74LS273）的LDIR为电平正跳变时，把来自数据总线的数据打入寄存器IR，IR的输出就作为本系统内的8位指令I7~I0。
在本系统内由这8位指令（可最多译码256条不同的指令），通过编码可对应这些指令在微程序存储器中的入口地址，并且输出相应的微控制指令。
。
分析：
273是一个8位锁存器，当LDIR=1，T2上升沿有效时，在T4配合下和Q一起进入一个与门，将指令寄存器中的指令操作码输出成相应的微控制命令。
⑶1片74LS74用来实现多种条件的跳转指令（JZ、JC等跳转指令）。
图3-2-3CY、零标志锁存原理图
74LS74芯片是双D触发器，其中一组是锁存进位位CY标志，另一组是锁存零标志（Z）可通过AR来控制JC和JZ建立，以实现条件跳转的指令。
分析：
只有当AR=1时，T4脉冲才能通过与门，送给74芯片一个上升沿脉冲，来控制CY、Z的跳转。
⑷1片74LS74用来实现开中断、关中断、中断服务。
图3-2-4中断控制电路图
74LS74芯片是双D触发器，其中一组锁存开中断标志，另一组锁存中断服务标志，通过LOAD来控制EA、ED的建立，以实现中断响应与中断服务。
分析：
当LOAD=1，PX3、PX2、PX3=100执行中断允许；PX3、PX2、PX3=101执行中断服务。
四、实验连线
图3-2-5实验连线示意图
按上图3-2-5所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图3-1-5中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线于控制信号“
”连接：
用双头实验导线连接上图中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号以作内部连接）。
五、实验内容及分析 在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键，使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态。
（一）程序计数器（PC值）的置数、输出与加1 ⑴PC值的写入 拨动二进制数据开关向程序计数单元置数（置数灯亮表示它所对应的数据位为“1”、反之为零）。
具体操作步骤图示如下：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1～T4四拍单周期脉冲
⑵PC值的读出 关闭数据输入三态（SW-B=0）、CE保持为0、LOAD=0、LDPC=0、CBA=001时，按【单步】键，打开PC-B缓冲输出门，数据总线单元应显示00000000； ⑶PC值送地址寄存器并加1 在保持PC值读出的开关状态下，置LDAR=1、LDPC=1，按【单步】命令键，在T3节拍把当前数据总线的内容（即PC）打入地址锁存器，地址总线单元的显示器应显示00H，在T3节拍的上升沿PC计数器加1，PC单元的显示器应显示01H。
（二）指令码的打入与散转 按微程序流程图所示的微控制流程，对指令译码寄存器IR分别打入微控制流程定义的操作码20H、40H、60H、80H、0A0H，然后根据流程图定义的基地址08H置入数据开关，按【单步】键，在机器周期的T2节拍把基地址08H打入微地址锁存器，在机器周期T4节拍按微控制流程对IR指令寄存器的内容进行测试和判别，使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
举例操作如下：
①当IR寄存器为20H、微地址为08H，按【微址】键后微地址为09H。
②当IR寄存器为60H、微地址为08H，按【微址】键后微地址为0BH。
（三）结果分析
首先，我们进行的实验是程序计数器（PC值）的置数、输出与加1。
依据实验步骤先向缓冲输入中置数00000000，SW-B=1,LOAD=1，LDPC=1，将数据写入程序计数单元；再关闭数据输入三态门，按照实验步骤依次进行，此时我们观察到数据总线单元显示为00H，即将所写入的PC值读出，此时再置LDAR=1，LDPC=1，按【单步】键，有观察到一些单元的显示发生了变化：
地址总线单元显示为00H，程序指针单元显示为01H，这与实验结论相符，即实现了PC+1的过程.
通过分析实验原理图，我们得知程序计数器是由两片163锁存器组成的，他们主要用来存储8位二进制的地址值，分别存放数据的低四位和高四位。
当我们给输入端置数为00000000通过数据总线进入程序计数器时，在T3配合下把数据开关的内容装入PC。
当CBA=001、LOAD=0、LDPC=1、LDAR=1时，按【单步】命令键，在单周期四节拍时序的T2时刻打开PC-B三态门，在T3时刻PC值通过总线打入地址寄存器AR（存放当前CPU访问的地址）、同时PC值加1。
故观察到地址总线单元显示为00H，程序指针单元显示为01H。
然后进行指令码的打入与散转实验。
虽然这个实验的实验步骤及显示都和实验一的微地址修改与转移相同，但他们的侧重点并不一致。
这里主要是注重PC是如何工作的，是怎样实现自动加1的。
六、实验总结
这次实验让我清楚地认识到程序计数器的工作原理，熟悉了指令产生的原因和巩固了指令执行周期的产生。
知道了指令部件模块的构成及各部件的工作原理。
实验三时序与启停实验
一、实验目的 ⒈掌握时序电路的原理。
⒉熟悉启停电路的原理。
二、实验要求 通过时序电路的启动了解以单步、连续方式运行时序电路的过程，观察T1、T2、T3、T4各点的时序波形。
三、实验原理及内容分析
图3-3-1时序、启停、单次脉冲原理图
（一）时序启停 实验所用的时序与启停电路原理如图所示，其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。
可产生4个等间隔的时序信号T1~T4，其中“时钟”信号由“B12脉冲源”提供。
为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR，使T1~T4信号输出可控。
图7-9-1中启停电路由1/2片74LS74、74LS00及1个二输入与门构成。
“运行方式”和“停机”控制位分别由管理CPU（89C52）的两个PI/O口控制。
按动【连续】命令键时管理CPU令“运行方式”位为“0”，运行触发器CR一直处于“1”状态，因此时序信号T1~T4将周而复始地发送出去。
当按动【单步】命令键时管理CPU令“运行方式”位为“1”，机器便处于单步运行状态，仅发送单周期4拍制时序信号。
单步方式运行，每次只执行一条微指令，可以观察微控制状态与当前微指令的执行结果。
另外当模型机以连续方式运行时，如果按动【宏单】命令键，管理CPU令停机控制位为“1”，也会使机器停止运行。
（二）观察时序波形
图3-3-2时序信号图
利用本实验系统的PC示波器可观察T1、T2、T3、T4的时序图。
具体方法是：
⑴在联机状态下选择菜单栏中“设置/参数设置”命令，在打开的设置窗口中点击“手动方式（单元实验）”再点击“确认”退出设置操作。
⑵在本实验装置工作方式提示位显示“L”（LED显示器自左向右第4位）的状态下，点击工具栏“运行”按钮，启动时序电路以连续方式运行，即可获得实验时观测所需的脉冲信号。
⑶用测试棒在“B10时序启停单元”的T1~T4中任选2个与“B15PC示波器”的CH0、CH1通道相连接，在联机状态下点击工具栏“逻辑示波器”按钮（或按快捷键：
F4）打开示波器窗口，单击“开始”，可观察到T1、T2、T3、T4中任意2个节拍的波形。
（三）单脉冲在实验中的运用 本实验系统的“B10时序启停单元”提供了T1、T2、T3、T4四个单节拍的脉冲按钮，为单元实验的分时调试、过程调试创造了必要的环境，这里需要提示的是每按一次【单步】键产生的是一个机器周期的时序脉冲，完成四个节拍的微控制操作，不能以单节拍方式分时调试实验项目。
（四）结果分析
当启动时序启停时，即启动=1，把一个高电平通过一个两输入的与非门，停机=0，把一个低电平“0”通过另一个两输入的与非门，无论运行方式如何都输出一个“1”，在经过一个与非门和启动配合共同输出一个“1”，这四个两输入的与非门组成一个74LS00；此时给时钟一个周期性的方波信号，当其为下降沿时74有效（因其要通过一个非门），再配合非Q通过一个与非门输出“1”使175有效，之后连接四个与门使其为“0”态，打开T1~T4四个与门，这四个与门又连接四个单次脉冲控制器，该单次脉冲控制器由两个与非门组成，左边的与非门的输入端接地，另一端接右边与非门的输出端，左边的与非门的输出端又接到右边与非门的输入端，而另一输入端接高电平。
当不按下时序信号时，左边的与非门输出“1”则右边输出“0”进入或门；当按下脉冲时，交换两边的与非门，此时则输出“1”进入或门，故产生稳定的“1”态和“0”态。
故每按一次脉冲都会产生波形的改变，我们的实验截图如下：
我们选择T1连接CH0通道，T2连接CH1通道进行实验：
上图是未经按键的波形图，是机器自身产生的波形图。
从图中可以看出，通道0的周期正好是通道1周期的2倍。
下图是我们手动随意按动相应脉冲产生的波形图。
当按动T1时，在通道0中产生一个高电平，当按动T2时，在通道1中产生一个高电平，由于连接通道的接口接触不良，所以产生的波形图并没有像预期的那样一致。
四、实验总结
这次实验，我们将实验装置进行联机，通过软件观察波形的变化。
通过操作实验和实验原理的分析，我掌握了时序电路的原理，还知道了启停电路的原理。
通过时序电路的启动了解以单步、连续方式运行时序电路的过程，观察了各点的时序波形。
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