组合逻辑控制器部件试验

1、精品文档你我共享部分内容时，也常控制器部件是计算机的五大功能部件之一，其作用是向整机每个部件（包括控制器本身） 提供协同运行的需要的控制信号因而，控制器在计算机组成原理过程中是非常重要的内容， 但学生在学习过程中，对其工作原理却常常感到难以理解教师在讲述这 常觉得难以叙述清楚，通过本实验，轻而易举的解决了这一问题。-实验设备和运行环境在组合程序控制器方式下，同样可以做汇编语言程序设计、主存储器扩展、 I/O接口 扩展和中断实验。这几项实验的操作步骤与在微逻辑控制器方式下的实验操作相同，用户 也可 参照后面给出的参考步骤。本节只给出组合逻辑控制器实验的操作步骤。.实验目的、原理、实验具体步骤和内

2、容2J实验原理控制器的设计实现有两种方式：一种是 微程序，另一种是组合逻辑线路，微程 序控制器的工作原理，是用一条微指令的控制命令字段 来提供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号，用这条微指令的下地址字段，指明下 一条微指令在控制器存储器中的地址,以便从控制器存储器中读出下一条微指令换句话说，每 一条微指令对应一条机器指令的一个执行步骤。1微指令格式微指令由下地址字段及控制字段组成TH UNION教学机的微指令格式如下：其中高八位为下地址字段其余各位为控制字段1 ）址形成逻辑TH UNION教学机利用器件形成下一条微指令在控制器存储器的地址下地址的形成由下地址字段及控制字段中的CI3-S

3、CC控制当为顺序执行时，下地址 字 段不起作用下地址为当前微指令地址加1;当为转移指令（013-0=0011）时，由控制信号 SCC提供转移条件，由下地址字段提供转移地址2）控制字段控制字段用以向各部件发送控制信号，使各部件能协调工作。控制字段中各控制信号有如下几类： 对运算器部件为了完成数据运算和传送功能，微指令向其提供了 24位的控制信号，包括：4位的A、B 口地址，用于选择读写的通用积存器3组3位的控制码丨8 - I 6、I 5 I 3、I 2I 6,用于选择结果处置方案、运算功能、数据来源。3组共7位控制信号控制配合的两片GAL20V83位SST，用于控制记忆的状态标志位2位SCI，用

4、于控制产生运算器低位的进位输入信号2位SSH，用于控制产生运算器最高，最地位（和积存器）移位输入信号 对内存储器I/O和接口部件，控制器主要向它们提供读写操作用到的全部控制信号，共 3位，即MRW 对CPU内部总线数据来源的控制，主要通过3位编码标记为DCD，来选择把哪一组 数据发送到内部总线（IB）上。 对几个特定的积存器接受输入的控制，也通过了编码C标记为D （2），用来选择允 许哪个积存器接受送个它的一组数据。（例如'ADD22实验目的：通过看懂教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令腹有诗书气自华精品文档你我共享SHR OUT MVRDJRG RET CALA等指令）的功

5、能、格式和执行流程，然后自己设计几条 指令的 功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。其最终要达到的目的是：1 -深入理解计算机控制器的功能、组成知识；2 深入地学习计算机各类典型指令的执行流程；3.对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立更具体的概念；4学习组合逻辑控制器的设计过程和相矢技术。2.3实验说明控制器组成和运行机制是学习计算机总体组成的重要部分，应该比较清楚地懂得：部，用一个VHDL语言或者ABEL语言的程序代码描述，因此，修改或者扩展指1.在计原16教学计算机中，组合逻辑控制器由程序计数器PC （运算器中的R5）、指令 寄存器IR （用2片8位的寄存器实现）

6、、节拍发生器Timing和控制信号形成线路（在 CPLD器件MAC芯片中实现）4个主要部分组成；控制器中需要变化的主要功 能线路集中到 MAC芯片内令的实验，主要表现为修改编辑这个程序源码，再经过编译 和下载操作即可完成，可以极大 地提咼实验效率。2 .在计原16教学计算机中，有29条基本指令已经实现，尚保留19条用于指令扩展实验，用监控程序的A命令能输入并汇编基本指令，对扩展指令虽然可以输入，但监控 程序却不能识别，将作为非法指令处理。此时可以在包含有扩展指令的程序中为其预留下 存储单元，之后用E命令输入扩展指令的二进制代码。通常情况下，T、P命令不适用于扩展指令；3 .应理解计原16教学机

7、支持的指令格式及指令执行流程分组情况；通过听课、阅读教材和教学实验，看懂已经设计好并正常运行的各类指令的功能、格式和执行流程，也包 括计算机总体组成，控制器为各功能部件提供的控制信号。三实验内容1.完成控制器部件的教学实验，主要内容是由学生自己设计几条指令的的功能、格式和执行 流程，并在教学计算机上实现、调试正确。2.首先是看懂计原16教学计算机的功能部件组成和线路逻辑尖系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如，ADD SHR OUT等指令）的3.功能、格式和执行流程。设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。例如ADC JRS JRNS LD

8、RA STOR JMPR等指令，可以从（TH-union计原16机系统技 术说 明与实验指导书中查找，也可以设计与实现其它的指令，包括原来已经实现的基本指令 （要变换为另外一个指令操作码）或自己确定的指令。在原来提供的MACH程序的基础上 按照VHDL语言或ABEL语言的要求添加新指令的控制信号，编译产生JED文件并下载 到MAC芯片里。软件的使用和下载参见技术说明和实验指导。4.单条运行指令，查看指令的功能、格式和执行流程。先将教学机左下方的5个拨动开尖置为11110,再按一下“ RESET按键，然后通过16位 的数据开矢（SWH SWL置入指令，按“ START按键单步送脉冲，通过指示灯观

9、察控制 信号的变化。用监控程序的A、E （扩展指令必须用E命令置入）命令编写一段小程序，观察运行结 果。实验时将教学机左下方的5个拨动开矢置为00110,运行编写的小程序。观察终端显示的结果，检验设计的指令是否正确。若与预定结果不符，可查看指令的功5.腹有诗书气自华精品文档你我共享能、格式、执行、流程设计的是否正确。四-实验要求1- 实验之前，应认真准备，写出实验步骤和具体设计内容，否则实验效率会特别低，一次 实验时间根本无法完成实验任务，即使基本做对了，也很难说学懂了些什么重要教学内 容；2- 应在实验前掌握所有控制信号的作用，在脫机运算器实验中，已给岀了与运算器有矢的控 制信号的作用，16

10、位机组合逻辑控制器用到的控制信号的功能表参见TH-union计原16教学计算机技术说明和实验指导第三章。3- 实验过程中，应认真进行实验操作，既不要因为粗心造成短路等事故而损坏设备，又要仔 细思考实验有矢内容，提高学习的主动性和创造性，把自己想不太明白的问题通过实验理 解清楚，争取最好的实验效果，力求达到教学实验的主要目的；4 -实验之后，应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤和具体实验结果，遇到的主 要问题和分析与解决问题的思路。大家应该认识到，遇到一些问题是好事情，通过分析与 解决这些问题，才提高了自己的工作能力，学习到更多的知识。还未理 解清楚，但实验结 果正确了就匆忙结束实验，并没

11、有达到教学实验的目的。实验报 告中，还应写出自己的学 习心得和切身体会，也可以对教学实验提出新的建议等。实验报告要交给教师评阅并给岀 实验成绩。五-实验内容和具体步骤：学习和检查已有指令的运行功能和执行步骤，当5位的功能开矢处于11110状态时，教学机 的指令将通过16位的数据开矢手拨方式送入，并且每按一次“ START按键，只执行指令的一 个步骤，有足够的时间察看计算机内部的信息和控制信号的状态。接通教学机电源；23.4.5.-将教学机左下方的5个拨动开矢置为11110 （单步、手拨指令、组合、联机、16位）； 按一下“ RESET按键；通过16位的数据幵矢SWH SWL置入16位的指令操作

12、码；在手拨方式下，通过指示灯观察各类基本指令的节拍。1）选择基本指令的A组指令中的ADD旨令，观察其执行流程：v1 置数据开矢 SW=00000000 00000001 （是 ADD RO R1 指令）2按RESETS键；节拍指示灯T4TO显示（）；（本节拍的功能与ADD旨令无矢，用于总清教学计算机系统）3 按 START 按键；T3T0 显示（）；（AR- PC, PC PC+1;4按START按键；T4T0显示（）；（读内存，ir.读岀指令）； 5按START按键；T4T0显示 ）；（R0R0+R1揮作）.招今结 v6再按START按键，将返回到第3步，开始下一条指令的执行过过程；可以看至

13、叽属于A组的全部指令（包括ADD SUB CMP AND XOR SHR SHL INC、DEC TEST OR MVRRJR、JRC JRNC JRZ JRNZ都是经过（）个节拍来完成的。（）公共节拍（编码为0000、0010）完成读取指令，每条指令还要用（）节拍（0011）完 成自己特定的运算、处理功能。2）选择B组指令中的LDRF指令，完成DRSR功能，观察其执行流程v1置数据开矣 SW=10000001 DRSR ； （LDRR DRS 指令）2按RESET按键，T4T0显示（）；（总清教学计算机系统）3按 START 按键,T4TO 显示 （）；（AF- PC, PC-PC+1<

14、;4>按START按键，T4T0显示（）；（读内存，IR读出指令）<5>按START按键，T4-T0显示（）；（执行LDRR旨令的第一步：送内存地址，即ARJDR<6>按START按键，T4TO显示（）；（执行LDRF指令的第二步：读、写内存或读、写外设 DR-DATA可以看至，B组的全部指令（包括JMPA LDRR IN、STRR PSHF PUSH OUT POP MVRD POPRET都是经过（）个节拍来完成的。（）公共节拍（编码：0000和0010）完成读取指令，每条指令还要用（）节拍（0110、0100）分别完成传送存储器或I/O接口的地址，以及完成存储

15、器或I/O接口的读写操作。同样的操作步骤，也可以查看基本指令集合中的子程序调用指令 （CALA）的6个执 行步骤，在0000、0010这2个节拍完成取指，在0110 >0100这2个节拍完成读出指 令的 第2个字并暂存，在0111 0101这2个节拍完成把PC的值写入堆栈，并把暂存 的子程序 地址送PG6 -单步方式下，通过指示灯观察各类基本指令的执行步骤、实现功能、用到的控制信号 va>选择基本指令A组指令中的ADD指令<1>置拨动开矢 SW=00001011 0001000Q （指令 ADD）<2>先按“ RESET按键；再连续按“ START按键，观察

16、每一步的节拍及控制信号如下表：卩拍指令操作码MR ABSSH；C85-30DCDC1000公共节拍100010订010100101100100100000011100001000101010100101000001100000001100100010000 10000)00000100000000000000100110000000010000000001000011000001001000000<皿选择基本指令的B组指令中的LDRF指令，观察其执行过程中控制信号的变化，分析其作用。v1>置拨动开尖 SW=10000001 DRSR （指令 LDRR）v2>先按“ RESEr

17、按键；再连续按“ START按键，观察每一步的节拍及控制信号 如下表：节拍编码MRW,ABSSHSCl 8-6I5-3-0ssDCDC1000公共节拍01010101001011001001000000111000010001010101001010000011000000011001000100000000000001000000000000001011010000001100SR00000000001000000000110100100000010010000DR0000110001110000000007在连机情况下，用A命令从PCEC出输入程序，运行后，将开矢拨到单步观察指令的执行步

18、骤、和用到的控制信号。此处一 LDRR指令为例，简单介绍如下：用E命令从2000地址输入如下数据：2000: 0036用A命令从2001地址开始建立如下程序；2001: MVRD R2, 2000/ ；把2000地址的内容送到R2的低位2003: LDRR RO订R2 / ;将R2地址的内容到送到R0的低位腹有诗书气自华精品文档你我共孚2004OUT 80；在屏幕上输出显示字符6-2005:JR 2000 /；无条件跳转到20002006RE17；每个用户程序都必须用 RET指令结束2007/；按回车键即结束输入过程运行后，将功能开矢最左边一个拨到单步（上），假如说从2001这个地址停下来，

19、从指示灯处观察指令的控制信号和数据等等，表中公共节拍0000、0010只出现了一次,如下表所示。节拍地址指令数据MRWABSSHSCl &615-312-0SSTDC1DC2100010001010101001oil001001000000111000010001010101001010000011000000oil00100010000000000000100000000000000101102001MVRD000010001010101001010000011000000oil01002002200000100000010000oil00011100000000001102003L

20、DRR000010000100000000001000100000000oil01002000003600100000000000oil00011111100000001102004OUT000010000000000000001000111000010oil0100008000360100000000000000100010000000100000112005JR000010001010101000oil00010100001000000112000E数据000010001100011000oil000001001000000腹有诗书气自华精品文档你我共享8在以上几步实验的基础上，设计一，二

21、条已有指令（可以直接设计教学计算机中已经拥有 的指令，完成后和教学计算机中已经存在的指令进行对比）。在手拨方式下，通过指示灯观察各类扩展指令的节拍，已 ADD和LDRF指令为例。1）选择A组指令中的ADD旨令，观察其节拍流程：v1置拨动开矢 SW=OOOOOOOO DRSR （指令 ADD2按RESETS键；节拍指示灯T4T0显示1000；（本拍在第1次复位后才会执 行）3按STAR按键；节拍指示灯T4T0显示0000；（以上两拍为公共节拍，在手 动置指令方式下无意义）v4按STAR按键；节拍指示灯T4T0显示OO1O;（公共节拍将指令编码写入IRH、IRL）5按STAR按键；节拍指示灯T4T

22、0显示OO11;（完成循环加操作，ADDDR SR可以看到，A组指令（包括ADD SUB AND等）除公共节拍外，只需一步完成。节拍指令操作码ABSSH5-30DCDC20011000000001000000 :0000000110000010010000002）选择指令的B组指令中的LDRF指令，观察其节拍流程：V1 置拨动开矢 SW=10000001 DRS （指令 LDRR2按RESETS键；节拍指示灯T4T0显示WOO ；（本拍在第1次复位后才会执 行）3按START按键；节拍指示灯T4TO显示0000 ；（以上两拍为公共节拍，在手 动置指令方式下无意义）4按START按键；节拍指示灯

23、T4TO显示0010；（公共节拍，将指令编码写入指 令寄存器IRH、IRL）5按START按键；节拍指示灯T4T0显示0110； （PC ARP C+仔PC）6按START按键；节拍指示灯T4TO显示0100； （ ME-DR可以看到，B组指令（包括JMPA IN、STRR等）除公共节拍外，需两步完成。节拍编码MR /ABSSHSCl 8-6I5-3-0SSDC1DC2011010000001100SR00000000010001000000000110100100000010010000DR0000110001111 0000000004六实验要求与实验报告内容v1实验之前认真预习，明确实验

24、的目的和具体实验内容，设计好自己所设计的控制器的 控制信号，做好实验之前的必要准备。v2想好实验的操作步骤，明确可以通过实验学习到哪些知识，想一想怎么样有意识地提 高教学实验的真正效果；v3在教学实验过程中，要爱护教学实验设备和用到的辅助仪表，记录实验步骤中的数据 和运算结果，仔细分析遇到的现象与问题，找出解决问题的办法，有意识地提高自己创新思维 能力。v4实验之后认真写出实验报告，重点在于预习时准备的内容，实验数据，实验结果的分 析讨论，实验过程、遇到的现象和解决问题的办法，自己的收获体会，对改进教学实验安排的 建议等。腹有诗书气自华精品文档你我共享基本指令的微程序入口地址映射表序号编码入口

25、地址1ADDSR0000 000004SUB DR* SR0000 0001Oo3AND DR, SR0000 001006OR DE* SR0000 ono07各rXOR DR, SR0000 QlOOOS6CMF 呎 SR0000 OOH097P TEST DR： SRGOOD 0101OA8XtVRK DF, SROQQO QinO&9IXC DR0000 1001oc10DEC DUOQOQ 1000OD115HLDU0000 1010OE12SMR DR0000 ionOF13JRC OFFSET0100 QICO1014JRXC OFFSET0100 01011015JRZ OFFSET0100 01101016JRNM OFFSET0100 01111017JR OFFSET0100 0001111SIK PORT1000 OQIOIS均OUT FORT1000 01101220P SHF1000 010015PUSH DR1000 Q101Id22P POP DR1000 01111723P OFF1QQ0 11001724STRR DR： , SR1000 00111925LORR D?t ; SR；1000 0001IB26MVRD D 瓦 DATA