微程序控制器实验报告

一、    实验目的

(1)掌握微程序控制器的功能、组成知识。

（2）掌握为程序的编制、写入、观察微程序的运行

二、实验设备：

PC机一台，TD-CM3+实验系统一套

三、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的为命令序列，完成数据传送和个汇总处理操作，他的执行方法是将控制各部件的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照及其指令一眼，用数字代码的形式表示，这种表示陈伟微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种为指令序列称作为程序。微程序存储在一种专用的存储器中，成为控制储存器

四、实验步骤

1.对为控制器进行读写操作：

（1）手动读写：

①按图连线：

②将MC单元编程开关置为“编程”档，时序单元状态开关置为“单步”档，ADDR单元状态开关置为“置数”档

③使用ADDR单元的低六位SA5…SA0给出微地址MA5…MA0，微地址可以通过MC单元的MA5…MA0微地址灯显示

④CON单元SD27…SD20，SD17…SD10，SD07…SD00开关上置24位微代码，待写入值由MC单元的M23…M024位LED灯显示

⑤启动时序电路（按动一次TS按钮），即将微代码写入到E2PROM2816的相应地址对应单元中

⑥重复③④⑤三步，将下图微代码写入2816芯片中

                            二进制代码表

（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制器，但微程序得以指定的格式写入

本次试验的微程序如下：

：//************************************************************//

://                                                             //

://                 微控器实验指令文件                          //

：//                                                            //

：//************************************************************//

：//***************Start Of MicroController Data****************//

$M 00 000001;NOP

$M 01 007070;CON(INS)->IR,P<1>

$M 04 002405;R0->A

$M 05 04B201;R0->B

$M 30 001404;A加B->RO

$M 32 183001;IN->R0

$M 33 280401;R0->OUT

$M 35 000035;NOP

;//***************End Of MicroController Data*******************//

②写入微程序用联机软件的“【转存】-【装载数据】”功能将改格式文件装载入试验系统。

③校验位程序。选择联机软件的“【转存】-【刷新指令区】”可独处机器指令和微指令，并在指令区显示，检查是否与表相同

（2）运行微程序：

①连线：将电路按图所示连接起来，自习检查线路无误后接通电源。如果有报警声，说明有竞争现象，应关闭电源，检查连线，直到错误排除

 本实验采用的是本机运行，运行过程如下：

①  将MC单元的编程开关置为“运行”档，MEM单元的编程开关也置为“运行”档，按动CON单元的CLR按钮，将微地址寄存器清零，同时也将指令寄存器，ALU单元的暂存器A和暂存器B清零

②  将时序单元的状态开关置为“单拍”档，然后按动TS按钮，体会系统在T1和T2节拍中各做的工作。T1节拍微控制器将后续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，T2节拍根据T1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，还要根据指令及单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，清零微地址寄存器（MAR）等，并将时序单元的状态开关置为“单步”档

④  置IN单元数据位00100011，按动TS按钮，当MC单元后续微地址显示为000001是，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是，说明当前指令已完成；在CON单元的D27…D20各处ADD指令00000000，该指令将会在下个T2被打入指令寄存器，他将R0中的数据和其自身相加后送RO；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00000001是，观察OUT单元的显示是否为01000110

五、   实验结果：

  由实验可得按要求完成实验步骤后，数据会按照数据通路进行流程验算，最终的到两个数字相加的结果

六、   实验反思：

通过此次的微程序控制器的实验，我们通过实际操作基本掌握微程序控制器的功能、组成知识。以及程序的编制、写入、观察微程序的运行等功能。了解到了理论知识与实际操作的差别。

第二篇：计算机组成原理实验3-微程序控制器实验

经济管理学院  信息管理与信息系统专业    班  __组 学号                  

姓名              协作者              教师评定_____________

实验题目_          微 程 序 控 制 器 实 验_________________

1. 实验目的与要求：

实验目的：1.理解时序产生器的原理，了解时钟和时序信号的波形；

2.掌握微程序控制器的功能、组成知识；

3掌握微指令格式和各字段功能；                  

4.掌握微程序的编制、写入、观察微程序的运行，学习基本指令的执行流程。

实验要求：按练习一要求完成测量波形的操作，画出TS1、TS2、TS3、

TS4的波形，并测出所有的脉冲Φ的周期。按练习二的要求输入微指令的二进制代码表，并单步运行五条机器指令。

2. 实验方案：

1.用联机软件的逻辑示波器观测时序信号：

 测量Φ、TS1、TS2、TS3、TS4信号的方法：

（1）按图接线，接一根即可；

（2）把探笔的探头端按颜色分别插到试验仪左上角的CH1、CH2，黑探头插CH1，红探头插CH2，将黑探笔的探头插在Φ接线的上孔，将红探笔的探针夹在TS1两针之间；

（3）将实验仪的STOP开关置为RUN、STEP开关置为EXEC，“SWITCH UNIT”中CLR开关置为1状态，按动START按键；

（4）启动“组成原理联机软件”，点击“调试”菜单下的“显示逻辑示波器窗口”，点击示波器开关，即可在屏幕上看到波形。使用“步数”或“速度”调整波形，波形调整好后，不要用同步通道来稳定波形，应该单击示波器开关，这样整个波形都停下来；

（5）鼠标停留在波形线上，会有时间提示，两者相减可以算出波形周期；

（6）测完Φ 和TS1后，接着测量TS1和TS2，把黑红探针分别夹在TS1两根针之间和TS2两根针之间，相互比较，可以测量TS1和TS2之间相位关系。同理通过测量TS2、TS3可以测量出TS2和TS3之间相位关系，同理通过测量TS3、TS4可以测量出TS3和TS4之间相位关系。

2.观察微程序控制器的工作原理：

（1）关掉实验仪电源，拔掉前面测时序信号的接线，按图连接实验电路，仔细检查无误后接通电源；

（2）编程写入E2PROM  2816

   A.将编程开关（MJ20）置为PROM状态；

   B.将实验板上STATE  UNIT中的STEP置为“STEP”状态，STOP置为“RUN”状态，“SWITCH  UNIT”中CLR开关置为1状态；

   C.在右下角的“SWITCH  UNIT”中UA5-UA0开关上表3.2中某个要写的微地址；

   D.在MK24-MK1开关上置表3.2中要写的微地址后面的24位微代码，24位开关对应24位显示灯，开关置为“1”时灯亮，开关置为“0”时灯灭；

   E.启动时序电路（按动启动按钮START），即将微代码写入到E2PROM  2816的相应地址对应的单元中；

   F.重复C-E步骤，将表3.2的每一行写入E2PROM  2816。

（3）校验

   A.将编程开关置为READ状态；

   B.保持STEP、STOP、CLR开关状态不变，即实验板的STEP开关置为“STEP”状态，STOP开关置为“RUN”状态，“SWITCH  UNIT”中CLR开关置为1状态；

   C.在开关UA5-UA0上按表3.2置好要读的某个微地址；

   D.按动START键，启动时序电路，就能读出微代码，观察显示灯MD24-MD1的状态，检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，将开关置为PROM编程状态，重新执行；

   E.重复C-D步骤，将表3.2的每一行从E2PROM28 16中读出来。

单步运行五条机器指令：

A. 将编程开关置为“RUN”状态；

B. 将STEP置为“STEP”状态，STOP置为”RUN“状态，”SWITCH  UNIT”中的CLR开关置为1状态；

C. 将“SW-BUS”开关置为“0”，左下方开关D5-D0置为“111111”，D6和D7开关任意；

D. 将清零开关CLR从高拔到低，再从低拔到高，即将开关CLR置为1——>0——>1,可发现后续微地址UA5-UA0灯变为000000，000000是微指令运行启始地址；

E. 按动“START”键，UA5-UA0灯变为010000，这是在读00条微指令，给出下一条要读的微指令是20。以后每按动一次启动键“START”，都会读出后续微地址指定的一条微指令，微命令显示灯和微地址显示灯显示着正在所读出的微指令；

F. 在UA5-UA0灯变为010000时，可通过实验仪左下方开关D7-D0人为强置设置分支地址，将D5-D0置为“111111”——>“111100”——>“111111”，可发现UA5-UA0灯从010000变为010011，表示下一个要读的微指令从010000修改为了010011；

G. 在UA5-UA0灯为010011时，也就是23时，对照微程序流程图，按动一下“START”键，UA5-UA0灯会变成000001，也就是01，表示读出了23条微指令，给出了下一条要读的是01条微指令；

H. 在UA5-UA0灯为000001时，也就是01时，对照微程序流程图，按动一下“START”键，UA5-UA0灯会变成000010，也就是02，表示读出了01条微指令，下一步要的是02条微指令；

I. 按动“START”键，读出02条微指令时，UA5-UA0灯显示为001000时，在当前条件下，可通过强置端SE1-SE6相接的D5-D0人为强置修改分支地址；

J. 执行完每个指令的最后一条微指令后，都会回到01微指令，这样才表示执行完了一条指令，同时也表示可以执行新的指令了；

K. 按照上述方法，把所有分支执行一遍。

3. 实验结果和数据处理：

        通过比较各波形的相互关系可得：脉冲Ф的周期是TS1，TS2，TS3，TS4各点的周期的1/4,而且在时间为T的条件下，TS1与TS2， TS2与TS3， TS3与TS4各自之间相差1/4周期。

4. 实验结果分析：

ADD加法指令为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作地址，其含义是将R寄存器的内容与内存中以A为地址单元的数相加，结果放R寄存器。ADD加法指令由7条微指令组成，分别为：01、02、11、03、04、05、06。

以微指令06为例：微指令功能是DR1+DR2；06微指令S3 S2 S1 S0 M CN的值为“100101”代表算术运算A加B；A字段“001”起的作用是选择LDRi，B字段“101”起的作用是选择ALU-B；06微指令中UA5-UA0中“00000001”代表的含义是后继执行的微地址。(其他指令的功能均按以上方式解读)

5. 写出你掌握了的控制信号的作用

1. 时钟时序电路

时序电路可产生4个等间隔的时序信号Tsi-TS4，其中Ф为钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。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TSl—TS4信号输出可控。

2．微程序控制电路

微程序控制器的组成，本实验装置的微程序放在二片2816的E2PROM中，只有掉电保护功能，微命令寄存器为18位，由三片8D触发器(273)和1片4D触发器(175)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—触发器置为“1”状态，完成地址修改。

在该实验电路中设有一个编程开头(位于实验板右上方)，它具有二种状态：PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。当处于“编程状态”时，可根据微地址和微指令格将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。

3．微指令格式

一个完整的程序是由若干条指令语句组成的，一条指令义由若干条微指令组成，而每一条微指令义由若干微命令及下一条微地址信号组成。其中UA5—UA0为6位的后续微地址，A、B、C三个译码字段，分别有二个控制位译码出多位。C字段中的AR为算术运算是否影响进位及判零标控控制位，其为零有效。P(1)-P(4)是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序输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， I7—I2为指令寄存器的第7—2位输出，SE5—SEl为微控器单元微地址锁存器的强置端输出。B字段中的RS—B、R0-B、R1—B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码， 10-14为指令寄存器的第0-4位，LDRi打入工作寄存器信号的泽码器位能控制位。P(1)判别指令代码前四位(I7、I6、I5、I4)；P(2)判别指令代码I2、I3位：P(3)判别是否有进位或值是否为零：P(4)判别控制台指令(SWA、SWB)。LDRi与指令代码I0、I1译出LDR0、LDRI、LDR2；RD-B与指令代码Io、I1译出目的通用寄存器：RS—B与指令代码I2、I3译出源通用寄存器：RI-B控制R2-B输出。

6. 结论

通过实验，能按照如《计算机组成原理实验指导书》给出的步骤输入微指令的二进制代码表并单步运行五条机器指令，且能精确得出计算机组成原理中所推出的结果。

7. 问题与讨论及实验总结

问题与讨论：

在练习二所要求的输入微指令的二进制代码表的五条机器指令时，没有将编程开关置为READ(校验)状态，致使在校验的时候，读出的微代码一直不变，后经过改正，实验得以完成。

实验总结：

通过本次实验，我掌握了微程序的编制及写入，学习了基本指令的执行流程。掌握了时序产生器的原理和具体操作，掌握了一些微程序控制器的功能和组成知识。在实验过程中，我基本能按步骤完成实验，但因为控制信号繁多而未能熟练地进行操作，最终还是能勉强完成实验。因此，做实验时一定要认真仔细，课前更应做好充分的预习工作。

8. 思考选择题：（单选题）

１、（　A  ） 　２、（  A 　）  　３、（　A　）　　4、（　A  ）

5、（  B　）　 6 、（  C  ）     7、（  B   ）    8、（  A  ）

9、（  A  ）  10、（   B  ）    11、（   C  ）