机器指令执行.docx

实验四 微程序控制器设计实验

一、实验目的

(1)掌握时序产生器的组成原理。
(2)掌握微程序控制器的组成原理。
(3)加深理解微指令与机器指令的关系。

二、实验电路

1.时序发生器
TEC-4计算机组成原理实验系统的时序电路如图6所示。

图6 时序信号发生器图

电路采用2片GAL22V10(U6，U7)，可产生两级等间隔时序信号T1－T4和W1－W4，其中一个W由一轮T1－T4循环组成，它相当于一个微指令周期或硬联线控制器的一拍，而一轮W1－W4循环可供硬联线控制器执行一条机器指令。
本实验不涉及硬联线控制器。微程序控制器只使用时序信号T1－T4，产生T信号的功能集成在GAL22VlO芯片TIMER1(U6)中，另外它还产生节拍信号W1、W2、W3、W4的控制时钟CLK1。

TIMER1的输入信号中，MF接实验台上晶体振荡器的输出，频率为1MHz。T1至T4的脉冲宽度为100ns。CLR(注意，实际上是控制台上的CLR#信号，因为ABEL语言的书写关系改为CLR，仍为低有效信号)为复位信号，低有效。实验仪处于任何状态下令CLR# = 0，都会使时序发生器和微程序控制器复位(回到初始状态)，CLR# = l时，则可以正常运行。复位后时序发生器停在T4、W4状态，微程序地址为000000B。建议每次实验仪加电后，先用CLR#复位一次。控制台上有一个CLR#按钮，按一次，产生一个CLR#负脉冲，实验台印制板上已连好控制台CLR#到时序电路CLR的连线。
TJ(停机)是控制器的输出信号之一。连续运行时，如果控制信号TJ = l，会使机器停机，停止发送时序脉冲T1－T4、W1－W4，时序停在T4。在实验台上为了将时序信号发生器的输入信号TJ和控制存储器产生的TJ信号区分开来，以便于连线操作，在实验台上时序信号发生器的输入信号TJ命名为TJI，而控制存储器产生的信号TJ仍命名为TJ。QD(启动)是来自启动按钮QD的脉冲信号，在TIMER1中，对QD用MF进行了同步，产生QD1和QD2。ACT表示QD1上升沿，表达式是QDl&!QD2，脉冲宽度为1000ns。QDR是运行标志，QD信号使其为l，CLR信号将其置0。DP(单拍)是来自控制台的DP开关信号，当DP = l时，机器处于单拍运行状态，按一次启动按钮QD，只发送一条微指令周期的时序信号就停机。利用单拍方式，每次只执行一条微指令，因而可以观察微指令代码和当前微指令的执行结果。DZ(单指)信号是针对微程序控制器的，接控制台开关DZ和P1信号配合使用。Pl是微指令字判断字段中的一个条件信号，从微程序控制器输出。Pl信号在微程序中每条机器指令执行结束时为l，用于检测有无中断请求INTQ，而时序发生器用它来实现单条机器指令停机。在DB = 0且DP = 0的前提下，当DZ = 0时，机器连续运行。当DZ = 1时，机器处于单指方式，每次只执行一条机器指令。
DB、SKIP、CLK1信号以及W1－W4时序信号都是针对硬布线控制器的。W1－W4是节拍信号，硬布线控制器执行一条机器指令需要一组W1－W4信号。DB(单步)信号就是每次发送一组W信号后停机，可见其功能与DZ类似。执行某些机器指令不需要完整的一组W信号周期，SKIP信号就是用来跳过本指令剩余的W节拍信号的。中断允许标志IE由控制存储器的输出信号INTS将其置1，由控制存储器的输出信号INTC将其置0。在TIMER2内部，控制台产生的中断请求用时钟CLK1进行同步，产生了INTR1。只有在INTE = l时，控制台产生的中断请求脉冲INTR才能起作用，即产生向控制器输出中断信号INTQ，INTQ = INTE & INTR1。

2.数据通路
微程序控制器是根据数据通路和指令系统来设计的。这里采用的数据通路是在综合前面各实验模块的基础上，又增加程序计数器PC(U18)、地址加法器ALU2(U17)、地址缓冲寄存器R4(U25、U26)和中断地址寄存器IAR(U19)。PC和ALU2各采用一片GAL22V10，两者配合使用，可完成程序地址的存储、增1和加偏移量的功能。R4由两片74HC298组成，带二选一输入端。IAR是一片74HC374，用于中断时保存断点地址。
3.微指令格式与微程序控制器电路
根据给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用的微指令格式见图7。微指令字长共35位。其中顺序控制部分10位（后继微地址6位，判别字段4位），操作控制字段25位，各位进行直接控制。微指令格式中，信号名带有后缀“#”的信号为低有效信号，不带有后缀“#”的信号为高有效信号。

图7 微指令格式

对应微指令格式，微程序控制器的组成如图8所是示：

图8微程序控制器的组成

控制存储器采用5片EEPROM 28C 64(U8，U9，U10，U11，U12)。 28C 64的输出是D0－D7，分别与引脚11、12、13、15、16、17、18、19相对应，CM0是最低字节，CM4是最高字节。微地址寄存器6位，用一片6D触发器74HC174(U1)组成，带有清零端。两级与门、或门构成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令的地址。在每个T1上升沿时刻，新的微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存储器随即输出相应的微命令代码。微地址转移逻辑生成下一地址，等下一个T1上升沿时打入微地址寄存器。跳转开关JUMP(J1)是一组6个跳线开关。当用短路子将它们连通时，微地址寄存器μAR从本实验系统提供的微程序地址译码电路得到新的微程序地址μD0－μD5。当他们被断开时，用户提供自已的新微程序地址μD0－μD5。这样用户能够使用自己设计的微程序地址译码电路。5片EEPROM的地址A6(引脚4)直接与控制台开关SWC连接，当SWC = 1时，微地址大于或者等于40H，当SWC = 0时，微地址的范围00H－3FH。SWC主要用于实现读寄存器堆的功能。
微地址转移逻辑的多个输入信号中，INTQ是中断请求，本实验中可以不理会它。SWA、SWB是控制台的两个二进制开关信号，实验台上线已接好。C是进位信号，IR7－IR4是机器指令代码，由于本次实验不连接数据通路，这些信号都接到二进制开关K0—Kl5上。

三 、机器指令与微程序
为了在教学中简单明了，本实验仪使用12条机器指令，均为单字长(8位)指令。
表5指令功能与格式
名  称
助 记 符
功   能
指  令  格  式
  IR7 IR6 IR5 IR4
IR3    IR2
  IR1    IR0
加法
ADD Rd , Rs
Rd+Rs->Rd
  0    0    0   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
减法
SUB Rd, Rs
Rd-Rs->Rd
   0    0    0   1 
  RS1   RS0
  RD1   RD0
乘法
MUL Rd , Rs
Rd*Rs->Rd
  0    0    1   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
逻辑与
AND Rd, Rs
Rd&Rs->Rd
  0    0    1   1
  RS1   RS0
  RD1   RD0
存数
STA Rd , [Rs]
Rd->[Rs]
  0    1    0   0
  RS1   RS0
  RD1   RD0
取数
LDA Rd , [Rs]
[Rs]->Rd
  0    1    0   1
  RS1   RS0
  RD1   RD0
无条件转移
JMP [Rs]
[Rs]->PC
  1    0    0   0
  RS1   RS0
  X X
条件转移
JC D
若 C = 1 则
PC+D->PC
  1    0    0   1
  D3    D2   
  D1    D0
停机
STP
暂停运行
  0    1    1   0
   X     X
   X     X
中断返回
IRET
返回中断
  1    0    1   0
   X     X
   X     X
开中断
INTS
允许中断
  1    0    1   1
   X     X
   X     X
关中断
INTC
禁止中断
  1    1    0   0
   X     X
   X     X
指令功能及格式如表5所示。指令的高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。
应当指出，用以上12条指令来编写实际程序是不够的。好在我们的目的不是程序设计，而主要是为了教学，通过CPU执行一些最简单的程序来掌握微程序控制器的工作原理。
上述12条指令的微程序流程设计如图9所示。每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个 28C 64中。

图9 微程序流程图
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了以下五个控制台操作微程序:
存储器写操作(KWE)：按下复位按钮CLR#后，微地址寄存器状态为全零。此时置SWC = 0、SWB =1、SWA = 0，按启动按钮后微指令地址转入27H，从而可对RAM连续进行手动写入。
存储器读操作(KRD)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 0，SWA = 1，按启动按钮后微指令地址转入17H，从而可对RAM连续进行读操作。
写寄存器操作(KLD)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 1，SWA = 1，按启动按钮后微指令地址转入37H，从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。
读寄存器操作(KRR)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 1，SWB = 0，SWA = 0，按启动按钮后微指令地址转入47H，从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。
启动程序(PR)：按下复位按钮CLR#后，置SWC = 0，SWB = 0，SWA = 0，用数据开关SW7－SW0设置内存中程序的首地址，按启动按钮后微指令地址转入07H，然后转到“取指”微指令。
应当着重指出，在微指令格式的设计过程中，对数据通路所需的控制信号进行了归并和化简。细心的同学可能已经发现，微程序控制器输出的控制信号远远少于数据通路所需的控制信号。这里提供的微程序流程图是没有经过归并和化简的。仔细研究一下微程序流程图，就会发现有些信号出现的位置完全一样，这样的信号用其中一个信号就可以代表。请看信号LDPC和LDR4，这两个信号都在微程序地址07H，1AH，1FH，26H出现，而在其他的微程序地址都不出现，因此这两个信号产生的逻辑条件是完全一样的。从逻辑意义上看，这两个信号的作用是产生新的PC，完全出现在相同的微指令中是很正常的，因此用LDPC完全可以代替LDR4。还有另一些信号，例如LDDR1和LDDR2，出现的位置基本相同。LDDR2和LDDR1的唯一不同是在地址14H的微指令中，出现了LDDR2信号，但是没有出现LDDR1信号。LDDR1和LDDR2是否也可以归并成一个信号呢？答案是肯定的。微程序流程图中只是指出了在微指令中必须出现的信号，并没有指出出现其他信号行不行，这就要根据具体情况具体分析。在地址14H的微指令中，出现LDDR1信号行不行呢？完全可以。在地址14H出现的LDDR1是一个无用的信号，同时也是一个无害的信号，它的出现完全没有副作用，因此LDDR1和LDDR2可以归并为一个信号LDDR1。根据以上两条原则，我们对下列信号进行了归并和化简:
LDIR(CER) 为1时，允许对IR加载，此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER。
LDPC(LDR4) 为l时，允许对程序计数器PC加载，此信号也可用于作为R4的加载允许信号LDR4。
LDAR1(LDAR2) 为l时，允许对地址寄存器AR1加载，此信号也可用于作为对地址寄存器AR2加载。
LDDR1(LDDR2) 为1时允许对操作数寄存器DR1加载。此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载。
Ml(M2)           当M1 = l时，操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据；当M1 = 0时，操作数寄存器DR1从 寄存器堆RF接收数据。此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号。
在对微指令格式进行归并和化简的过程中，我们有意保留了一些信号，没有化简，同学们可以充分发挥创造性，提出更为简单的微指令格式。
还要说明的是，为什么微指令格式可以化简，而实验台数据通路的控制信号为什么不进行化简？最主要的原因是前面进行的各个实验的需要，例如LDDR1和LDDR2这两个信号，在做运算器数据通路实验时，是不能设计成一个信号的。还有一个原因是考虑到实验时易于理解，对某些可以归并的信号也没有予以归并。

四、实验设备

（1）TEC－4计算机组成原理实验系统一台
（2）直流万用表一只
（3）逻辑测试笔一支

五、实验任务
（1）按实验要求，连接实验台的开关K0—K15、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。
注意：本次实验只做微程序控制器本身的实验，故微程序控制器输出的微命令信号与执行部件(数据通路)的连线暂不连接。连线完成后应仔细检查一遍，然后才可加上电源。
（2）熟悉微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码，列于下表。三种控制台指令的功能由SWC，SWB，SWA三个二进制开关的状态来指定(KRD = 001B，KWE = 010B，PR = 000B)。

 微指令地址
微指令编码
微指令地址
微指令编码
00H
　 0005C 00207
3CH
　 0405C 8003D
07H
　0005412005
17H
　 000544003F
27H
　040544003D
3FH
　 0409C 0003E
3DH
　 000140003C
3EH
　 0005C 8003F

单拍(DP)方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况。并与上表数据对照。
（3）用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KRD、KWE、PR微地址转移逻辑功能的实现。
（4）熟悉05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件(IR4－IR7)，用二进制开关设置IR7－IR4的不同状态，观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。(用逻辑笔测试有关逻辑电路的电平，分别做出测试记录。)
（5）设置IR7－IR4的不同组合，用单拍方式执行SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微程序，用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移和执行情况。用逻辑笔测试小插座上输出的微命令信号，记录SUB、LDA、STA、JUMP四条机器指令的微命令信号。

六、实验步骤

（1）接线
跳线开关J1用短路子短接。控制器的输入C接K0，IR4接K1，IR5接K2，IR6接K3，IR7接K4，TJI接K5，SKIP接GND。
合上电源。按CLR#按钮，便实验系统处于初始状态。

（2）用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KWE、KRD、PR微地址转移逻辑功能的实现。
将时序电路的输入TJI与控制存储器的输出TJ连接，置DP = l，DB = 0，DZ = 0。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = l，按QD按钮，验证KRD的微地址转移功能；选择SWC = 0、SWB = l、SWA = 0，按QD按钮，验证KWE的微地址转移功能；选择SWC = 0、SWB = 0、SWA =0，按QD按钮，验证PR的微地址转移功能。这里不再详述。

（3）熟悉地址05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件(IR4－IR7)，用二进制开关设置IR7－IR4的不同状态，观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。

1．05H微指令的功能是根据程序计数器PC从存储器取指令，送往指令寄存器IR，同时进行PC + 1的操作。05H微指令的下一微指令地址是10H。不过，10H只是一个表面的下一微地址，由于该微指令中P2 = 1，因此实际的微指令地址的低4位要根据IR7－IR4确定，实际微地址为10H + IR7 IR6 IR5 IR4。
2．置DP =1，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。令K4(IR7) = 0，K3(IR6) = 0，K2(IR5) = 0，K1(IR4) = 0，相当于ADD指令的操作码。按一次QD按钮，微地址变为07H。按一次QD按钮，微地址变为05H。按一次QD按钮，微地址变为10H。按一次QD按钮，微地址变为3BH。按一次QD按钮，微地址变为34H。按一次QD按钮，微地址变为0FH。
3．置DP = 1，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。令K4(IR7) = 0，K3(IR6) = 0，K2(IR5) = 0，K1(IR4) = 1，相当于SUB指令的操作码。按一次QD按钮，微地址变为07H。按一次QD按钮，微地址变为05H。按一次QD按钮，微地址变为11H。按一次QD按钮，微地址变为3AH。按一次QD按钮，微地址变为34H。按一次QD按钮，微地址变为0FH。
4．置DP = l，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。令K4(IR7) = 0，K3(IR6) = l，K2(IR5) = 0，K1(IR4) = 0，相当于STA指令的操作码。按一次QD按钮，微地址变为07H。按一次QD按钮，微地址变为05H。按一次QD按钮，微地址变为14H。按一次QD按钮，微地址变为35H。按一次QD按钮，微地址变为0FH。
5．置DP = l，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。令K4(IR7) = 0，K3(IR6) = 1，K2(IR5) = 0，K1(IR4) = 1，相当于LDA指令的操作码。按一次QD按钮，微地址变为07H。按一次QD按钮，微地址变为05H。按一次QD按钮，微地址变为15H。按一次QD按钮，微地址变为36H。按一次QD按钮，微地址变为34H。按一次QD按钮，微地址变为0FH。
6．置DP = l，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0，按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，微地址是00H。令K4(IR7) = l，K3(IR6) = 0，K2(IR5) = 0，K1(IR4) = 0，相当于JMP指令的操作码。按一次QD按钮，微地址变为07H。按一次QD按钮，微地址变为05H。按一次QD按钮，微地址变为18H。按一次QD按钮，微地址变为0FH。
表6 取机器指令周期及ADD指令执行周期微程序代码

当
前
微
地
址
T
J
S2
S1
S0
M
1
L
D
D
R
1
W
R
D

L
R
W

C
E
L
#
A
L
U
︱
BUS
RS
︱
BUS
#
S
W
︱
BUS
#
IAR
︱
BUS
#
L
D
E
R
M
3
AR1
︱
INC
L
D
A
R
1
L
D
I
A
R
M
4

P
C
︱
INC
PC
︱
ADD
L
D
P
C

L
D
I
R

I
N
T
C
I
N
T
S
P3 P2
P1 P0
A 5 A 4
A 3 A 2
A 1 A 0
00
0
000
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1000
000111
07
0
000
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0000
000101
05
0
000
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0100
010000
10
0
000
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0000
111011
3B
0
010
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0000
110100
34
0
000
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0000
001111
0F
0
000
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0010
000101