第10章实训ppt课件

1、第第10章章 实训实训 实训一实训一 运算器运算器实训二实训二 存储器存储器实训三实训三 微控制器实验微控制器实验实训四实训四 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现一、实训目的1了解运算器的组成结构。了解运算器的组成结构。2掌握运算器的工作原理。掌握运算器的工作原理。3掌握简单运算器的数据传输方式。掌握简单运算器的数据传输方式。4验证运算功能发生器验证运算功能发生器(74LS181)及进位控制的组及进位控制的组 合功能。合功能。二、实训要求 完成不带进位及带进位算术运算和逻辑运算完成不带进位及带进位算术运算和逻辑运算训练，了解算术逻辑运算单元的运用。训练，了解算术逻辑运算单元的运用。 三、

2、实训原理1运算器的设计原理运算器的设计原理（1使用基本的门电路构成使用基本的门电路构成1位全加器。位全加器。（2利用进位传递逻辑将其构成利用进位传递逻辑将其构成N位并行加法器。位并行加法器。（3利用多路选择逻辑实现多种输入输出组合选利用多路选择逻辑实现多种输入输出组合选 择，使加法器扩展为多功能的算术逻辑运算。择，使加法器扩展为多功能的算术逻辑运算。（4利用多路选择逻辑实现移位功能。利用多路选择逻辑实现移位功能。（5使用加法器与移位器组合构成乘法器和除法使用加法器与移位器组合构成乘法器和除法器。器。（6使用两个定点运算器部件的组合则可构使用两个定点运算器部件的组合则可构成成一个浮点运算器。一个

3、浮点运算器。274LS181运算器运算器 74LS181是一个四位是一个四位ALU单元，它是由单元，它是由4个一位个一位全加器以及进位电路构成。下面给出了正逻辑全加器以及进位电路构成。下面给出了正逻辑74LS 181的逻辑图如图的逻辑图如图10-1所示，其功能表见表所示，其功能表见表10-1。图10-1 正逻辑74LS181的逻辑图S3 S2 S1 S0M=0(算术运算)M=1(逻辑运算)Cn1（无进位）Cn0（有进位）0 0 0 0F=AF=A+1F=A0 0 0 1F=A|BF= (A|B)+1F=A|B0 0 1 0F=A| BF=(A| B )+1F=A B0 0 1 1F=0-1F=

4、0F=00 1 0 0F=A+ A BF=A+ A B+1F=AB0 1 0 1F=A B +(A|B)F=A B +(A|B)+1F=B0 1 1 0F=A-B -1F=A-BF=AB0 1 1 1F=A B -1F=A BF=A B1 0 0 0F=A+ABF=A+AB+1F= A +B1 0 0 1F=A+BF=A+B+1F=A B1 0 1 0F=AB+(A|B)F=AB+(A| B )+1F=B1 0 1 1F=AB-1F=ABF=AB1 1 0 0F=A+AF=A+A+1F=11 1 0 1F=A+(A| B )F=A+(A| B )+1F=A+ B1 1 1 0F=A(A| B

5、)F=A+(A+ B )+1F=A+B1 1 1 1F=A-1F=AF=A 表10-1 74LS181逻辑功能表(注意：“”为算术加，“|”为逻辑或，“”为算术减。) 四、实训电路1. 基本运算部件基本运算部件 图图10-2所示的是由两片所示的是由两片74LS181芯片构成芯片构成的的8位位字长的运算器。右方为低字长的运算器。右方为低4位运算芯片，左方位运算芯片，左方为高为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端位运算芯片。低位芯片的进位输出端Cn+4与与高位芯高位芯片的进位输入端片的进位输入端Cn相连，高位芯片的输出端相连，高位芯片的输出端Cn+4可连至进位锁存电路，以保存此进位。可连至进位锁存

6、电路，以保存此进位。 两个芯片的控制端两个芯片的控制端S0S3和和M各自相连，各自相连，其控制其控制电平如表电平如表10-1。 为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器端分别由两个数据暂存器DR1、DR274LS273实实现来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到现来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1或或DR2中，则锁存器中，则锁存器74LS273的控制端的控制端LDDR1或或LDDR2须为高电平。当须为高电平。当T4脉冲来到的时候，总线上脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进的数据就被锁存进DR1或或DR2中了。中了。 为了控制

7、运算器向内总线上输出运算结果，在为了控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门其输出端连接了一个三态门74LS245实现）。假实现）。假设设要将运算结果输出到总线上，则要将三态门要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端的控制端ALU-B置低电平。置低电平。2进位控制运算部件进位控制运算部件 在图在图10-2的基础上增加进位控制部分的基础上增加进位控制部分,可可设计出设计出进位控制运算部件实训原理图如图进位控制运算部件实训原理图如图10-3所示。所示。其中其中181的进位进入一个的进位进入一个74LS74锁存器，其写入锁存器，其写入是由是由T4和和AR信号控

8、制，信号控制，T4是脉冲信号，实验时将是脉冲信号，实验时将T4连至连至“STATE UNIT的微动开关的微动开关KK2上。上。AR是是电平控制电平控制信号低电平有效），可用于实现带进位控信号低电平有效），可用于实现带进位控制实制实验，而验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位到进位锁存器中。锁存器中。 （下面两个图中（下面两个图中S0S0、S1S1、S2S2、S3S3只和两片只和两片181181连接，不连连接，不连245245） 图10-2 运算器实训原理图图10-3 进位控制实训原理图五、实训步骤1算术逻辑运算算术逻辑运算（1实训说明实训说明 实训电路如图

9、实训电路如图10-2所示。其中运算器由所示。其中运算器由两片两片74LS181构成构成8位字长的位字长的ALU。运算器的输出。运算器的输出经过经过一个三态门一个三态门74LS245到到AUJ3插座，再通插座，再通过连过连接排线连接到内总线上。运算器的两个数据接排线连接到内总线上。运算器的两个数据输入端输入端分别由两个锁存器分别由两个锁存器74LS373锁存，锁存锁存，锁存器的输器的输入端已经连接到内总线上了。入端已经连接到内总线上了。 数据输入单元用以给出参与运算的数据。其中数据输入单元用以给出参与运算的数据。其中输入开关经过一个三态门输入开关经过一个三态门74LS245和内总线相和内总线相连

10、，该三态门的控制信号位连，该三态门的控制信号位SW-B，取低电平时，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。 总线显示灯在总线显示灯在BUS UNIT单元中已与内总单元中已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。线相连，用来显示内总线上的数据。 控制信号中除控制信号中除T4为脉冲信号，其它信号均为电为脉冲信号，其它信号均为电平信号。平信号。 由于实训电路中的时序信号均已连至由于实训电路中的时序信号均已连至“JT UNIT单元中的相应时序信号引出端，因而，需要单元中的相应时序信号引出端，因而，需要将将“JT UNIT单元中的单元中的T4接至接至“

11、STATE UNIT单元单元中的微动开关中的微动开关KK2的输出端。在进行实验时，按动的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，如图微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，如图10-4所示。所示。 S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B，SW-B各电平控制信号则使用各电平控制信号则使用“SWTICH UNIT单元中的二进制数据开关来模单元中的二进制数据开关来模拟，拟，其中其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。上述实训信号连接情况如图为高电平有效。上述实训信号连接情况如图10-4所示。所示。图

12、10-4 运算器实训接线图（2操作步骤操作步骤 按图按图10-4连接实训电路并检查无误后打开电连接实训电路并检查无误后打开电源开关。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标源开关。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明。明。 用输入开关向暂存器用输入开关向暂存器DR1置数，操作流程如置数，操作流程如图图10-5所示。所示。 a. 拨动输入开关形成二进制数拨动输入开关形成二进制数01100101或或其它数值）。（数据显示灯亮为其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为，灭为1）。）。 b. 使使SWITCH UNIT单元中的开关单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、（打开数据输入三态门）、ALU

13、-B=1关闭关闭ALU输输出三态门）、出三态门）、LDDR1=1为打开为打开DR1输入准备）、输入准备）、LDDR2=0关闭关闭DR2输入）。输入）。 c. 按动微动开关按动微动开关KK2产生产生T4脉冲信号），与脉冲信号），与LDDR1信号一起，将二进制数信号一起，将二进制数01100101置入置入DR1中。中。 输入开关向暂存器输入开关向暂存器DR2置数，操作流程如图置数，操作流程如图10-5所示。所示。 a. 拨动输入开关形成二进制数拨动输入开关形成二进制数10100111或或其它数值）。（数据显示灯亮为其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为，灭为1）。）。 b. 使使SWITCH UNI

14、T单元中的开关单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、（打开数据输入三态门）、ALU-B=1关闭关闭ALU输输出三态门）、出三态门）、LDDR1=0关闭关闭DR1输入）、输入）、LDDR2=1为打开为打开DR2输入准备）。输入准备）。 c. 按动微动开关按动微动开关KK2产生产生T4脉冲信号），与脉冲信号），与LDDR2信号一起，将二进制数信号一起，将二进制数01100101置入置入DR2 中。中。 检查检查DR1和和DR2中存在的数是否正确。中存在的数是否正确。 a. 使使SWITCH UNIT单元中的开关单元中的开关SW-B=1（关闭数据输入三态门）、（关闭数据输入三态门）、ALU

15、-B=0关闭关闭ALU输输出三态门）、出三态门）、LDDR1=0关闭关闭DR1输入）、输入）、LDDR2=0关闭关闭DR2输入）。输入）。 b. 置置S3、S2、S1、S0、M为为11111，总线显，总线显示灯则显示示灯则显示DR1中的数。中的数。 c. 置置S3、S2、S1、S0、M为为10101，总线显，总线显示灯则显示示灯则显示DR2中的数。中的数。 改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。 a. 保持保持SW-B、ALU-B=0保持不变。保持不变。 b. 按表按表1.1置置S3、S2、S1、S0、M、Cn的数的数值，并观察总线显示灯显示的结果。值

16、，并观察总线显示灯显示的结果。例如：例如：置置S3、S2、S1、S0、M、Cn为为100101，运算器作，运算器作加法运算加法运算置置S3、S2、S1、S0、M、Cn为为011000，运算器作，运算器作减法运算。减法运算。图10-5 向DR1和DR2寄存器置数操作流程2. 进位控制运算进位控制运算 （1实训说明实训说明 进位控制运算器的实训原理如图进位控制运算器的实训原理如图10-3所所示，示，在算术逻辑运算实训的基础上增加进位控制在算术逻辑运算实训的基础上增加进位控制部分，部分，使使ALU的进位进入到进位锁存器中。其写入的进位进入到进位锁存器中。其写入是由是由T4和和AR信号控制。信号控制。

17、T4为脉冲信号；为脉冲信号；AR是电平是电平控制信控制信号，低电平有效。当号，低电平有效。当T4脉冲来到时，则将本脉冲来到时，则将本次运算次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。的进位结果锁存到进位锁存器中。图106 进位控制实训接线 （上图方格内竖线不需要） （2操作步骤操作步骤 按图按图10-6连接实验电路并检查无误。连接实验电路并检查无误。 打开电源开关。打开电源开关。 用输入开关向暂存器用输入开关向暂存器DR1和和DR2置数。操作置数。操作流程如图流程如图10-5所示。所示。 关闭数据输入三态门关闭数据输入三态门SW-B=1），翻开），翻开ALU输出三态门输出三态门ALU-B=0），并使）

18、，并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。，关闭寄存器。 对进位标志清零。对进位标志清零。 置置S3、S2、S1、S0、M的状态为的状态为0 0 0 0 0，置置AR的状态为的状态为0。（清零时。（清零时DR1中的数不应等于中的数不应等于FF）。按动微动开关）。按动微动开关KK2。 注：进位标志指示灯注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为亮时表示进位标志为“0”，无进，无进位；标志指示灯位；标志指示灯CY灭时表示进位为灭时表示进位为“1”，有进位。，有进位。 验证带进位运算及进位锁存功能。验证带进位运算及进位锁存功能。 使使Cn=1，AR=0，进行带进位算术运算。，进行带进位算术运算

19、。 例如，进行加法运算，使例如，进行加法运算，使ALU-B=0，S3 S2 S1 S0 M状状态为态为10010，此时数据总线上显示的数据为，此时数据总线上显示的数据为DR1加加DR2加当加当前进位标志，这个结果是否有进位产生，则要按动微动开关前进位标志，这个结果是否有进位产生，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，则无进位，反之则有进位。因为做，若进位标志灯亮，则无进位，反之则有进位。因为做加法运算时数据总线一直显示的数据为加法运算时数据总线一直显示的数据为DR1+DR2+CY，所，所以当有进位输入到进位锁存器后，总线显示的数据为加上进以当有进位输入到进位锁存器后，总线显示的数据为加上进位

20、位的结果。位位的结果。考虑：考虑： 在在8位运算器的基础上，如何设计位运算器的基础上，如何设计16位位运算器？运算器？ 六、练习 验证验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能：的算术运算和逻辑运算功能： 在给定在给定DR1=65H、DR2=A7H的情况下，改变的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。中，并和理论分析进行比较、验证。DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1(无进位)CN=0(有进位)65A70 0 0 0F=( )F=( )F=( )65A70 0

21、 0 1F=( )F=( )F=( )65A70 0 1 0F=( )F=( )F=( )65A70 0 1 1F=( )F=( )F=( )65A70 1 0 0F=( )F=( )F=( )65A70 1 0 1F=( )F=( )F=( )65A70 1 1 0F=( )F=( )F=( )65A70 1 1 1F=( )F=( )F=( )65A71 0 0 0F=( )F=( )F=( )65A71 0 0 1F=( )F=( )F=( )65A71 0 1 0F=( )F=( )F=( )65A71 0 1 1F=( )F=( )F=( )65A71 1 0 0F=( )F=( )

22、F=( )65A71 1 0 1F=( )F=( )F=( )65A71 1 1 0F=( )F=( )F=( )65A71 1 1 1F=( )F=( )F=( )实训二实训二 存储器存储器 1熟悉存储器和总线组成的硬件电路。熟悉存储器和总线组成的硬件电路。 2掌握静态随机存储器掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读工作特性及数据的读写方法。写方法。一、实训目的 按照实训步骤完成实训项目，利用存储器和按照实训步骤完成实训项目，利用存储器和总线进行数据传输。总线进行数据传输。二、实训要求三、实训原理 半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工艺，其结构

23、如图艺，其结构如图10-7所示。所示。图10-7 半导体存储芯片结构 存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。地址线是单向输入，数据线是双向输入输出，数据线和地址的位数共同反映存储芯片的容量。例如：地址线为10根，数据线为8根，则芯片容量为210840964KB。 控制线主要有读控制线主要有读/写控制线写控制线WE与片选线与片选线CE两两种。读种。读/写控制线决定芯片进行读写控制线决定芯片进行读/写操作，片选线写操作，片选线用用来选择存储芯片通常主存由多个存储芯片构来选择存储芯片通常主存由多个存储芯片构成）。成）。四、实训电路 所用的半导体静态存储器电路原理如图所用的半导体静态存储

24、器电路原理如图10-8所示。所示。实训中的静态存储器由一片实训中的静态存储器由一片61162K8构成，构成，其数据线接至数据总线，地址总线由地址锁存器其数据线接至数据总线，地址总线由地址锁存器74LS273给出，地址灯给出，地址灯AD0AD7与地址线相与地址线相连 ， 显 示 地 址 线 内 容 。 数 据 开 关 经 一 三 态 门连 ， 显 示 地 址 线 内 容 。 数 据 开 关 经 一 三 态 门74LS245连至数据总线，分时给出地址和数据。连至数据总线，分时给出地址和数据。 因为地址寄存器为因为地址寄存器为8位，接入位，接入6116的地址的地址A7A0，而高三位，而高三位A8A1

25、0接地，所以其实际容量为接地，所以其实际容量为256字节。字节。6116有三个控制线：有三个控制线：CE片选线）、片选线）、OE读线）、读线）、WE写线）。当片选有效写线）。当片选有效CE=0）时，时，OE=0时进行读操作，时进行读操作，WE=0时进行写操作。本时进行写操作。本实验中将实验中将OE常接地，在此种情况下，当常接地，在此种情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操时进行写操作，其写时间与作，其写时间与T3脉冲宽度一致。脉冲宽度一致。 操作时将操作时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度

26、可调，其它电平控制信相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由号由“SWITCH UNIT单元的二进制开关模拟，其单元的二进制开关模拟，其中中SW-B为低电平有效，为低电平有效，LDAR为高电平有效。为高电平有效。图10-8 存储器实训电路图 1形成时钟脉冲信号形成时钟脉冲信号T3，其连线方法和操作步骤如下：，其连线方法和操作步骤如下： （1接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H24,调节电位器调节电位器W1，使，使H24端输出实验所期望频率的方波。端输出实验所期望频率的方波。 （2时序电路模块中的时序电路模块中的和和H23排针相连。排针相连

27、。 （3在时序电路模块中有两个二进制开关在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP和和“STEP”。将。将“STOP开关置为开关置为“RUN状态、状态、“STEP开关置开关置为为“EXEC状态时，按动微动开关状态时，按动微动开关“START”，则，则T3输出为输出为连连续的方波信号，此时调节电位器续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使，用示波器观察，使T3输输出实验要求的脉冲信号。当出实验要求的脉冲信号。当“STOP开关置为开关置为“RUN状状态、态、“STEP开关置为开关置为“STEP状态时，每按动一次微动开关状态时，每按动一次微动开关“START”，则，则T3输出一个单脉冲，其

28、脉冲宽度与连续方式输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相相同。同。五、实训步骤2按图按图10-9连接实验线路，仔细检查线路无误后连接实验线路，仔细检查线路无误后接通电源。由于存储器模块内部的连线已经连接接通电源。由于存储器模块内部的连线已经连接好，因此只需要完成实验电路的形成、控制信号好，因此只需要完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与外部存储模块的外与外部存储模块的外部连接。部连接。图10-9 实训接线图 3给存储器的给存储器的00、01、02、03、04地址单元地址单元中分别写入数据中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步，具体操作步骤

29、如图骤如图10-10所示以向所示以向0号单元写入数据号单元写入数据11为为例）：例）：图10-10 写入数据流程图 依次读出第依次读出第00、01、02、03、04号单元中的号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体操作步骤如图一致。具体操作步骤如图10-11所示以向所示以向0号单元号单元读出数据读出数据11为例）：为例）：图10-11 读出数据流程图考虑： 假如计算机系统需要64KB容量的内存，存储电路该如 何设计？ 给存储器的给存储器的111A地址单元中分别写入数地址单元中分别写入数据，并依次读出据，并依次读出10个单元中的

30、数据，观察数据灯，个单元中的数据，观察数据灯，检测显示结果。检测显示结果。六、练习实训三实训三 微控制器实验微控制器实验1. 掌握时序产生器的组成原理。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。掌握微程序控制器的组成原理。3. 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运 行。行。一、实训目的二、实训要求 按照实训步骤完成实训项目，熟悉微程序的按照实训步骤完成实训项目，熟悉微程序的编码、写入、观察运行状态。编码、写入、观察运行状态。 微程序控制器的基本任务是完成当前指令的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

31、可以控制翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种控制操作。它的执行方法就是将控制各部件和各种控制操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种指令序列称为微程序。微程示一条机器指令，这种指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用的存

32、储器中，称为控制存储器。序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器。微程序控制器原理框图如图微程序控制器原理框图如图10-12所示。所示。三、实训原理图1012 微控器原理图1时序逻辑原理时序逻辑原理 实训所用的时序控制电路框图如图实训所用的时序控制电路框图如图10-13所示，可产所示，可产生生4个等个等间隔的时序信号间隔的时序信号TS1TS4，其中，其中为时钟信号，由方波为时钟信号，由方波信号源信号源（SIGNAL UNIT单元提供，可产生频率及脉宽可调的单元提供，可产生频率及脉宽可调的方波信方波信号。读者在练习中可根据实训需要自行选择方波信号的号。读者在练习中可根据实训需要自行选择方波信号

33、的频率及脉频率及脉宽。图中宽。图中STEP和和START由设计的时序控制单元由设计的时序控制单元STATE UNIT）中的二进制开关中的二进制开关STEP和和START模拟产生。当模拟产生。当STEP开关开关为为0时，系时，系统处于连续统处于连续EXEC执行状态，此时按下执行状态，此时按下START键后，键后，时序信号时序信号TS1TS4将周而复始地发送出去。当将周而复始地发送出去。当STEP为为1STEP时，此时，此时按下时按下START键后，时序信号键后，时序信号TS1TS4只产生一个周只产生一个周期，机器便期，机器便处于单步处于单步STEP运行状态，即此时只发送一个运行状态，即此时只发送

34、一个CPU周周期的时序期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只读取一条微指令，信号就停机。利用单步方式，每次只读取一条微指令，可以观察微可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连续运行时，续运行时，如果如果STEP开关置开关置“1”，也会使机器停机，或使，也会使机器停机，或使CLR开关开关拨至零也拨至零也可以使时序清零。可以使时序清零。 四、实训电路 由于时序电路的内部线路已经连好，所以只由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需要将时序电路和方波信号源连接，即将时序电路需要将时序电路和方波信号源连接，即将时序电路的时钟输入端的时钟

35、输入端接至方波信号发生器输入端接至方波信号发生器输入端H23上，上，按动启动键按动启动键START后，就可以产生时序信号后，就可以产生时序信号TS1TS4。时序电路的。时序电路的CLR已接至实验板左下方的已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。模拟开关上。图10-13 时序控制电路框图2微程序控制实训电路微程序控制实训电路 实训微程序控制器的组成如图实训微程序控制器的组成如图10-14所示，所示，其中其中控制存储器可以采用控制存储器可以采用3片片2816的的E2PROM构构成；微成；微命令寄存器命令寄存器18位，用两片位，用两片8D触发器触发器273和一片和一片4D175触发器组成；微地址寄存器

36、触发器组成；微地址寄存器6位，位，用三片用三片正沿触发的双正沿触发的双D触发器触发器74组成，它们带组成，它们带有清有清“0”端和预置端；在不判别测试的情况下，端和预置端；在不判别测试的情况下，T2时时刻打入刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当当T4时刻测试判别时，转移逻辑满足条件后输出时刻测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉的负脉冲通过强置端将某一触发器置为冲通过强置端将某一触发器置为“1状态，状态，完成地址完成地址修改。修改。 在该实训电路中可以设计具有三种状态的编程在该实训电路中可以设计具有三种状态的编程开关：开关：PROM编程）、

37、编程）、READ校验）、校验）、RUN（运行）。当处于（运行）。当处于“编程状态时，读者可根据微编程状态时，读者可根据微地地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器储器2816中。当处于中。当处于“校验状态时，可以对写入校验状态时，可以对写入控控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态运行状态”时，只需要给出微程序的入口地址，则可根据微程时，只需要给出微程序的入口地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。序流程图自动执行微

38、程序。3指令格式指令格式 微指令字长共微指令字长共24位，其控制位顺序如下：位，其控制位顺序如下： 24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWECELDPCABCA5A0 ALU控制字段：S3、S2、S1、S0、M、Cn，它们的二进制组合用于控制ALU的工作模式，具体含义参见运算器实训中关于ALU的介绍。 存储器读写控制字段：WE，用于控制存储器的读写控制，详细的介绍参见存储器实验。片选字段：CE，LDPC的组合将会对存储器、输入、输出设备进行片选。 A、B、C字段分别是3位二进制的组合，它们分别作为译码器的输入，然后输出

39、各种控制信号，其含义将在基本模型机实训中做详细介绍，A、B、C字段输入与输出信号对应表见10-2，10-3，10-4所示。表10-2 A字段输入与输出信号对应表151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR与图10-14中不一致，图中是LDR1，是否按表中？按表中 表10-3 B字段输入与输出信号对应表121110选择000001RSB010RDB011RIB100299B101ALUB110SWB111PCB表10-4 C字段输入与输出信号对应表987选择000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR1

40、10LDPC与图10-14中不一致，图中是PC(1) ，是否按表中？按表中 微指令字长种微指令字长种UA5UA0为为6位的后续微地址，位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。C字段字段中的中的P1）P4是四个测试字位。其功能是根据机器是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入指令及相应微代码进行译码，使微程序转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，其原理如图口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图10-15所示，图中所示，图中I7I2为指令寄存器的

41、第为指令寄存器的第72位输出，位输出，SE5SE1为微控制器单元微地址锁存器的输出端。为微控制器单元微地址锁存器的输出端。AR为算为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字字段中的段中的RS-B、R0-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的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指令来进行三个工作寄存器R0、R1及及R2的选通译码，其原的选通译码，其原理如图理如图10-16所示，图中所示，图中I0I4为指令寄存器的第

42、为指令寄存器的第04位，位，LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。 图10-14 微控制器实训电路图图10-15 微程序执行分支选择原理图 图10-16 寄存器控制原理图1实训说明实训说明 图图10-17为几条机器指令对应的参考微程为几条机器指令对应的参考微程序流程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，代码，可得到表可得到表10-5的二进制代码表。的二进制代码表。五、实训步骤2观察时序信号观察时序信号 用双踪示波器或用用双踪示波器或用PC示波器功能示波器功能观察方波观察方波信号源的输出，时序电路

43、中的信号源的输出，时序电路中的“STOP开关置为开关置为“RUN”，“STEP开关置为开关置为“EXEC”。按动按动START按键，从示波器上可观察到按键，从示波器上可观察到TS1、TS2、TS3、TS4各点的波形，比较它们的相互关系，画各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度，见图并标注测量所得的脉冲宽度，见图10-18。图10-17 微程序流程图图10-18 时序信号图表10-5 二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCABCUA5-UA000000000011101110100010000010000000111101

44、110000000100200000000010000000100100003000000000110000000000100040000000000110000000001010500000001001000100000011006100101010001101000000001070000000101100000000011011000000001100111000000000111000000011110111000000011120000000111101110000001111300000001111011100000111014000000011110111000010101150

45、000001000000010000000011600000000011000000000111117000000000000000000000001250000000011010000000000013操作步骤：操作步骤： （1编程编程 将微程序控制器编程开关置为将微程序控制器编程开关置为PROM编程状态。编程状态。 将时序产生单元将时序产生单元STATE UNIT中中的的“STEP置为置为“STEP”，“STOP置为置为“RUN状态。状态。 用二进制模拟开关置微地址用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。 在微程序编程开关在微程序编程开关MK23MK0上置上置微代码，微代码，24位开位开关对

46、应关对应24位显示灯，开关量置为位显示灯，开关量置为“0时灯亮，时灯亮，开关量为开关量为“1时时灯灭。灯灭。 启动时序电路按动启动按钮启动时序电路按动启动按钮“START”），即将微），即将微代码写入到代码写入到2816的相应地址对应的单元中。的相应地址对应的单元中。 反复反复步骤，将表步骤，将表10-2的微代码的微代码写入写入2816中。中。 （2校验微指令校验微指令 将微程序控制器编程开关置为将微程序控制器编程开关置为READ校验状态。校验状态。 将时序产生单元将时序产生单元STATE UNIT中的中的“STEP置为置为“STEP”，“STOP置为置为“RUN状态。状态。 用二进制模拟开关

47、置微地址用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。 启动时序电路按动启动按钮启动时序电路按动启动按钮“START”），读出微），读出微代代码。观察显示灯码。观察显示灯MD23MD0的状态灯亮为的状态灯亮为“0”，灭为，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于则将开关置于PROM编程状态，重新执行编程状态，重新执行1）（编程即可）（编程即可运行并观察结果。运行并观察结果。 运行的过程中着重观察微地址显示灯、微命令显示运行的过程中着重观察微地址显示灯、微命令显示灯。运行的方式有单步和连续两种方式。灯。运行的方式有单步和连续两

48、种方式。 （3单步运行单步运行 将微程序控制器编程开关置于将微程序控制器编程开关置于“RUN运运行）行）”状态。状态。 将时序产生单元将时序产生单元STATE UNIT中的中的“STEP置为置为“STEP”，“STOP置为置为“RUN状态。状态。 拨动微地址清零拨动微地址清零CLR开关，将开关，将CLR的状态按的状态按101变化。从而将微地址寄存器变化。从而将微地址寄存器MA5MA0清零，微程清零，微程序运行的序运行的入口微地址置为入口微地址置为000000二进制）。二进制）。 连续按动连续按动“START键，启动时序电路。每键，启动时序电路。每按动一次按动一次“START键，将顺序读出一条微

49、指令并执行后停键，将顺序读出一条微指令并执行后停机。此时，机。此时，微地址显示灯显示的是下一条将要运行的微指令地微地址显示灯显示的是下一条将要运行的微指令地址，微命址，微命令显示灯显示的是正读出并执行的微指令。令显示灯显示的是正读出并执行的微指令。 （4连续运行：连续运行： 将微程序控制器编程开关置于将微程序控制器编程开关置于“RUN运运行）行）”状态。状态。 将时序产生单元将时序产生单元STATE UNIT中的中的“STEP置为置为“EXEC”，“STOP置为置为“RUN状态。状态。 拨动微地址清零拨动微地址清零CLR开关，将开关，将CLR的状态按的状态按101变化。从而将微地址寄存器变化。

50、从而将微地址寄存器MA5MA0清零，微程清零，微程序运行的序运行的入口微地址置为入口微地址置为000000二进制）。二进制）。 按动按动“START键一次，启动时序电路，控键一次，启动时序电路，控制器将自制器将自动的顺序读出每条微指令并执行，直到结束。此时，动的顺序读出每条微指令并执行，直到结束。此时，微地址微地址显示灯显示的是下一条将要运行的微指令地址，微显示灯显示的是下一条将要运行的微指令地址，微命令显示命令显示灯显示的是当前读出并执行的微指令。灯显示的是当前读出并执行的微指令。考虑：观察图10-17微程序流程图，请总结设计微程序有 那些规律？ 写出下图中微地址为写出下图中微地址为20、2

51、1、22、24四条微四条微指令的二进制微代码。指令的二进制微代码。 六、练习 实训四实训四 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现1掌握前面部件单元电路训练的基础上，进一步掌握前面部件单元电路训练的基础上，进一步构构 造一台基本模型计算机。造一台基本模型计算机。2掌握微程序执顺序强制改变的原理掌握微程序执顺序强制改变的原理3掌握机器指令与微程序的对应关系。掌握机器指令与微程序的对应关系。4掌握机器指令的执行流程。掌握机器指令的执行流程。5掌握机器指令的微程序的编制、写入。掌握机器指令的微程序的编制、写入。一、实训目的 在常规微程序控制器训练的基础上，定义五在常规微程序控制器训练的基础上，定义

52、五条机器指令，并编写相应的微程序，设计一台微程条机器指令，并编写相应的微程序，设计一台微程序控制的指令级模型计算机，进一步认识、掌握整序控制的指令级模型计算机，进一步认识、掌握整机概念。机概念。 二、实训要求三、实训原理 在实训一至三部件实训过程中，各部件单元在实训一至三部件实训过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，如运算器实训中对的控制信号是人为模拟产生的，如运算器实训中对74LS-181芯片的控制，存储器实训中对存储器芯片芯片的控制，存储器实训中对存储器芯片的控制信号。而本次训练主要是设计在微程序控制的控制信号。而本次训练主要是设计在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特

53、定指令下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。 1模型机机器指令模型机机器指令 本实训采用五条机器指令：本实训采用五条机器指令：IN输入）、输入）、ADD（二进制加法）、（二进制加法）、STA存数）、存数）、OUT输输出）、出）、JMP无条件转移），

54、其指令格式如下前无条件转移），其指令格式如下前4位为操位为操作码）：作码）：助记符助记符 机器指令机器指令 说明说明 IN 0000 0000 “DATA UNIT重的开关状态重的开关状态R0ADD add 0001 0000 XXXXXXXX R0addrR0STA addr 0010 0000 XXXXXXXX R0addrOUT addr 0011 0000 XXXXXXXX addrBUSJMP addr 0100 0000 XXXXXXXX addrPC 其中其中IN为单字长为单字长8位），其余为双字长指令，位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为为addr对应的二进制地址码。对应

55、的二进制地址码。2装入机器程序装入机器程序 为了向为了向RAM中装入程序和数据，检查写中装入程序和数据，检查写入是否入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台控制台操作微程序。操作微程序。 存储器读操作存储器读操作KRD）：微地址清零）：微地址清零CLR开开关，控制台开关关，控制台开关SWB、SWA为为“00时，按时，按START微动开关，可对微动开关，可对RAM连续手动读操作。连续手动读操作。 存储器写操作存储器写操作KWE）：拨动微地址清）：拨动微地址清零零CLR开关，控制台开关开关，控制台开关SWB、SWA为为“01时，时，按按START微动

56、开关，可对微动开关，可对RAM连续手动写入。连续手动写入。 启动程序：微地址清零启动程序：微地址清零CLR开关，控制台开关开关，控制台开关SWB、SWA为为“11时，按时，按START微动开关，即微动开关，即可可转入到第转入到第01号号“取址微指令，启动程序运行。取址微指令，启动程序运行。 上述三条控制台指令用两个开关上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义见表的状态来设置，其定义见表10-4。控制原理图见实。控制原理图见实训三图训三图10-15 微程序执行分支选择原理图所微程序执行分支选择原理图所示。示。SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）

57、启动程序（RP）表10-4 SWB、SWA的状态3系统微指令格式系统微指令格式 系统执行五条机器指令的微代码定义见表系统执行五条机器指令的微代码定义见表10-5。A、B、C字段对应的译码信号见实训三表字段对应的译码信号见实训三表10-2。24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWECELDPCABCA5A0表10-5 微指令格式4机器指令与微程序的对应关系机器指令与微程序的对应关系 每条机器指令由多条微指令按一定的顺序每条机器指令由多条微指令按一定的顺序完成，完成，以以MOV指令从存储器到存储器为例，完指令从存储器到存储器

58、为例，完成成MOV指令的执行需要执行指令的执行需要执行6条微指令才能完成，其条微指令才能完成，其执行流执行流程为：程为：5系统微程序系统微程序 系统涉及到的微程序流程见实训三图系统涉及到的微程序流程见实训三图10-17）所示，当执行所示，当执行“取指微指令时，该微指令取指微指令时，该微指令的判别测的判别测试字段为试字段为P(1)测试。由于测试。由于“取指微指令是取指微指令是所有为程所有为程序都使用的公用微指令，因此序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结的测试结果出现果出现多路分支。本级用指令寄存器的前多路分支。本级用指令寄存器的前4位位IR7-IR4）作为测试条件，出现作为测试条件，出现5

59、路分支，占用路分支，占用5个固定个固定微地址微地址单元。单元。PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-DR1PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-ARDR1-BUS 控制台操作为控制台操作为P(4)测试，如图测试，如图10-19所示，它所示，它以控制台开关以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了作为测试条件，出现了3路分支，占用路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址个固定微地址单元。当分支微地址单单元固定后，控制存储器剩下的其它地址就可以一条元固定后，控制存储器剩下的其它地址就可以一条微指令占用一个单元地址，而且地址可以随意使微指令占用一个单元地址，而且

60、地址可以随意使用。用。P(1) 和和P(4)对微程序执行分支选择情况如实训对微程序执行分支选择情况如实训三图三图10-15 微程序执行分支选择原理图所示。微程序执行分支选择原理图所示。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表码化，表10-6即为将实训三图即为将实训三图10-17和图和图10-19的微的微程序流程图按微指令格式转化而成的程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代二进制微代码码表表”。 图10-19 微程序流程图微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCABCUA5-UA000000000011101110100