计算机组成原理实验报告3微程序控制器实验.pdf

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1、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。1.1.时序信号，测量方法如下：(1)TATE U

2、NIT 中 STOP 开关置为“RUN”状态(向上拨)，STEP 开关置为“EXEC”练习一：用联机软件的逻辑示波器观测，TS1,TS2,TS3,TS4 信号的状态(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的波形。(6)探头一端接实验仪左上角的CH1,另端接STATE UNIT 中的插座，即可测出时钟一TS1 的波形；(7)探头一端接实验仪左上角的TS2 的波形。(8)(9)CH2,另 端接一STATE

3、UNIT中的 TS1 插座，即可测出另端接CH1,一STATE UNIT中的 TS2 插座，即可测出将红色探头一端接实验仪左上角的CH1，另一端接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。STATE UNIT 中的 TS4 插座，即可 测出 TS4 的波形。2.2.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.A.将编程开关(MJ20)置为 PROM(编程)状态；B.B.将实验板上 STATE UNIT 中的 STEP 置为 STEP 状态，STOP 置为 RU

4、N 状态,SWITCH UNIT中 CLR 开关置为 1 状态；C.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.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.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；2F.F.重复 C-E 步骤，将表 3.2 的每一行写入 E PROM 2816。校验A.A.将编程开关置为 READ（校验）状态；B.B.保持 STEP,STOP,CLR 开关状态不变

5、，将实验板上C.C.在开关 UA5-UA0 上按表 3.2 置好要读的某个微地址；D.D.按动 START 键，启动时序电路，就能读出微代码，观察显示灯查读出的微代码是否与已经写入的相同，行；2STATE 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；MD24-MD1 的状态，检若不同，将开关置于 PROM 编程状态，重新执E.E.重复 C-D 步骤，将表 3.2 的每一行从 E PROM 2816 读出来。练习二：步运行五条机器指令。1 1、将编程开关置于“RUN”状态；2 2、实验仪的“STEP”及”ST

6、OP”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；3 3、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）4 4、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；5 5、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

7、令是10（八进制）；D7-D0 人为强置设置分支地址，6 6、在 UA5-UA0 灯变为 010000 时，可通过实验仪左下方开关010011，这表示下一个要读的微指令从将 D5-D0 置“111111”“111100”“111111”，可以发现 UA5-UA0 灯从 010000 变 为010000 修改为了 010011;7 7、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“START”键，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；8 8 在 UA5-U

8、A0 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，下一条要读出的是可通过强置端1010、1111、02 条微指令；SE1-SE6 相接的 D5-D0 人为强置修改分支地址；01 微指令，这样才表示执行完了9 9、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，执行完每个指令的最后一条微指令后，都会回到按照上述方法，把所有分支都执行一遍。一条指令，同时也表示可以执行新的指令了；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

9、形图:CPUTS1周期TS2 -TS3TS4 _；_ 时钟脉冲与 TS1、TS2、TS3、TS4 脉冲的波形，比较时钟 脉冲与 TS1、TS2、TS3、TS4 脉冲的相互关系：时钟 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)PC AR;PC+1指令格式：微地址11程序计数器加S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A80 0 0 0 0 0 0 1 11,做好取下一条机器指令的准备。A110B110C110UA5.UA00000

10、11功能：根据 ABC 字段发出的信号，WE=O，读取内存内容，将 PC 的内容送到地址寄存器 中 AR，2)RAM BUS;BUSAR:指令格式:微地址03S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5.UA0000000001110000功能：根据微地址 03,RAM 进行读操作，发出存数控制信号，把000000100RAM 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)RAM BUS,BUDR2:指令格式:微地址04S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8000000001A011B000C000UA5.UA00

11、00101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05S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8000000011A010B001C000UA5.UA0000110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+DR2R0:指令格式:微地址06S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8100101011A00

12、1B101C000UA5.UA0000001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,S

13、2,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选通输出译码。R0,R1,R2 的.R0,R1 及 R2 的选六 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

14、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

15、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，分别是数），OUT（输出），JMP（无条件转移）。IN（输入），ADD（二进制加法），STA（存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

16、存储器 RAM 的写命令信号，WE=1 时，RAM 进行写操作，WE=O 时，RAM 进行读操作。A.B.C 字段主要能译出什么信号？分别写出来。答：A 字段中，主要是寄存器的打入信号，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。06微指令功能是什么？06微指令S3,S2,S1,S0.M.CN的值为“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，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。结果放 R0B 字段中主要是寄存器的输出信号，C 字