计算机组成原理实验报告微程序控制器实验

实验三 微程序控制器实验一 . 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 ：1. 实验前，要求做好实验预习，并复习已经学过的控制信号的作用；2.按练习一要求完成测量波形的操作，画出 TS1,TS2,TS3,TS4的波形，并测出所用的脉冲 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。二 . 实验方案：按实验图在实验仪上接好线后，仔细检查无误后可接通电源。1 .练习一：用联机软件的逻辑示波器观测时序信号，测量 ，TS1,TS2,TS3,TS4信号的方法如下：（1） TATE UNIT 中 STOP 开关置为“ RUN ”状态（向上拨）， STEP 开关置为 “ EXEC ”状态 （向 上拨）。（2） 将 SWITCH UNIT 中右下角 CLR 开关置为“ 1” （向上拨）。（3） 按动“ START ”按钮，即可产生连续脉冲。（ 4）调试”菜单下的“显示逻辑示波器窗口，即可出现测量波形的画面。（5）探头一端接实验仪左上角的CH1 ,另一端接STATE UNIT 中的插座，即可测出时钟的波形。（ 6） 探头一端接实验仪左上角的CH2 ，另一端接STATE UNIT中的TS1 插座，即可测出TS1 的波形；（ 7） 探头一端接实验仪左上角的CH1 ，另一端接STATE UNIT中的TS2 插座，即可测出TS2 的波形。（ 8） 将红色探头一端接实验仪左上角的CH1 ，另一端接STATE UNIT中的TS3 插座，即可测出TS3 的波形。（ 9） 将红色探头一端接实验仪左上角的CH1 ，另一端接STATE UNIT中的TS4 插座，即可测出TS4 的波形。2. 观察微程序控制器的工作原理： 关掉实验仪电源，拔掉前面测时序信号的接线； 编程写入E2PROM 2816A. 将编程开关（ MJ20 ）置为PROM （编程）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. 在右上角的 SWITCH UNIT 中 UA5-UA0 开关上置表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，为0 时灯灭；E. 启动时序电路，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 。 校验1、 将编程开关置为 READ （校验）状态；8、 保持 STEP,STOP,CLR 开关状态不变，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；9、 在开关 UA5-UA0 上按表 3.2 置好要读的某个微地址；10、 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已经写入的相同，若不同，将开关置于 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E2PROM 2816读出来。练习二：步运行五条机器指令。11、 将编程开关置于“ RUN”状态；12、 实验仪的“ STEP"及“ STOP”开关保持原状，即 STEP置为“ STEP”状态，STOP置为“ RUN ”状态， “SWITCH UNIT ”中CLR开关置为1状态；13、 实验仪的“ SW-BUS”置为0,左下方开关 D5-D0置为“ 111111”，D7和D6开关任意，（置 0或 者1都可以）14、 将清零开关 CLR从高拔到低，再从低拔到高，即将开关 CLR置1-0-1,可以发现后续微地址 UA5-UA0灯变为000000, 000000是微指令运行启始地址；15、 接着按动一下“ START键，UA5-UA0灯会变为010000,这是在读00 （八进制）条微指令，给出了 下一条要读的微指令是10 （八进制）；16、 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 “ 111111 ” - “111100” - “ 111111 ”，可以发现 UA5-UA0 灯从 010000 变为 010011 ,这表示下 一个要读的微指令从 010000修改为了 010011 ;17、 在UA5-UA0灯为010011时，也就是23（八进制）时，对微程序流程图，按动一下“ STARTS, UA5-UA0灯会变为000001 ,也就是01 （八进制），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；18、 在UA5-UA0灯为000001时，按动一下 START键，UA5-UA0灯会变为000010,表示读出了 01 条微指令，下一条要读出的是02条微指令；19、 接着按动一下 STRATOR键，读出02条微指令时，UA5-UA0灯显示为001000时，在当前条件下，可通过弓S置端SE1-SE6相接的D5-D0人为强置修改分支地址；10、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；11、按照上述方法，把所有分支都执行一遍。三 .实验结果和数据处理：测量并画出时钟和时序信号波形，比较它们的相互关系。波形图：CPU周期TS1TS2TS3TS4 时钟中脉冲与TS1、 TS2、 TS3、 TS4脉冲的波形，比较时钟中脉冲与TS1、 TS2、 TS3、 TS4脉冲的相互关系：时钟 中脉冲的一个 CPU周期的时间，是 TS1、TS2、TS3、TS4脉冲的时间之和，即节拍脉冲把 一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。四 .实验结果分析：分析ADD的每条微指令的指令格式和功能:1） PCf AR;PC+1指令格式：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5 .UA0110 0 0 0 0 0 0 1 1110110110000011功能：根据 ABC字段发出的信号，WE=0 ,读取内存内容，将 PC的内容送到地址寄存器中AR,程序计数器加1,做好取下一条机器指令的准备。2） RAMHBUS;BUS>AR:指令格式:微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5 .UA003000000001110000000000100功能：根据微地址 03, RAM进行读操作，发出存数控制信号，把 RAM的内容送到总线上，再送到地址寄存器 AR中，程序计数器加 1 ,做好取下一条机器指令的准备。3) RAMHBUS,BUS>DR2:指令格式：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5 .UA004000000001011000000000101功能：根据微地址 04, RAM进行读操作，发出 LDDR2信号，把RAM的内容送到数据总线上，再送到DR2寄存器中，程序计数器加1,做好取下一条机器指令的准备。4) R0-DR1:指令格式：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5 .UA005000000011010001000000110功能：根据微地址 05,发出RS-B信号，把寄存器 R0中的内容送到DR1寄存器中，程序计数器加 1, 做好取下一条机器指令的准备。5)DR1+DR2-R0:指令格式：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5 .UA006001101000000001功能：根据微地址 06,发出ALU-B信号，把DR1和DR2相加，结果放 R0寄存器中，回到 01微指 令。五 .写出掌握了的控制信号的作用：WE控制信号的功能：WE是存储器RAM的写命令信号，WE=1时，RAM进行写操作，WE=0时，RAM进行读操作。当STEP开关为0时态，一旦按下启动键，运行触发器Cr 一直处于1状态，因此时序 TS1-TS4将周而复始地发送出去；当 STEP为1时，一旦按下启动键，机器便处于单步运行状态，即此 次只读一条指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。S3,S2,S1,S0,M,Cn控制信号共同起到选择ALU进行哪种运算。LOAD是PC加1信号，P(1)-P(4)是四个测试判别信号，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，从而实验微程序的顺序，分支，循环运行。LDRi控制信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器.R0,R1及R2的选择存入译码。RS-B,RD-B,RI-B 分别为源寄存器选通输出信号，目的寄存器选通输出信号及变址寄存器选通 输出信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0,R1,R2的选通输出译码。六 .结论：根据实验操作步骤，所得的实验结果与理论值一致。七 .问题与讨论：练习二的实验里在执行 ADD指令时，在分支处强置修改分支地址，并且以后每次都强置修改，运行完以后，发现结果是错误的，检查步骤，与同学讨论，分析原因，原来是当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移，这时，可通过 SE6-SE1强制端去修改微地址寄存器的内容，并按改 好的内容读出下一条微指令，然后继续往下执行。八 .实验总结：心得体会：通过该实验让我较好地掌握了微程序控制器的功能，组成知识，微指令格式和各字段功能，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，遇到问题，可以通过实验，分析，讨论，请教老师解决问题，基本达到学习的目的。问题分析：在实验过程中遇到问题时，首先检查线路是否连接准确，然后再查看步骤，有无漏做或做错的步骤，分析可能出错的原因，与同学讨论，若仍无法解决，就请教老师，请指导老师查看指正。九 .思考题：本次实验共设计了几条指令？分别是什么指令？答：本次实验共设计了五条指令，分别是 IN （输入），ADD （二进制加法），STA （存数），OUT（输出 ） ， JMP （无条件转移）。S3,S2,S1,S0,M,Cn 控制信号共同起到什么作用？答： S3,S2,S1,S0,M,Cn 控制信号共同起到选择 ALU 进行哪种运算。写出 WE 控制信号的功能。答： WE 控制信号的功能： WE 是存储器 RAM 的写命令信号， WE=1 时， RAM 进行写操作，WE=0 时， RAM 进行读操作。答 ： A 字段中，主要是寄存器的打入信号， B 字段中主要是寄存器的输出信号， C 字段中，主要是测试信号。UA5-UA0 是当前微地址还是后继微地址？答： UA5-UA0 是当前后继微地址。“ 100101 ”代表什么运算？ A 字段“ 001 ”和 B 字段“ 101”分别选中哪个控制信号，信号的功能分别是什么？ 06 微指令中 UA5-UA0 中“ 000001 ”代表什么含义？答： 06 微指令功能是将DR1 寄存器中的内容和DR2 寄存器中的内容相加，结果放 R0 寄存器中；06 微指令 S3,S2,S1,S0,M,Cn 的值为“ 100101 ”代表 A 加 B 运算；A 字段“ 001 ”是选中 LDRi 控制信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器.R0,R1 及 R2的选择存入译码，而 LDRi 在本实验中即为 LDR0, 表示对寄存器 R0 的选择存入；B 字段“ 101 ”选中 ALU-B 控制信号， ALU-B 是输出三态门的控制端，控制运算器的运算结果是否送到数据总线BUS 上；06 微指令中UA5-UA0 中“ 000001 ”代表后续微地址01 。