组成原理实验三

计算机组成原理实验课程

实验三微指令系统实验实验目的：1.读出系统已有的微指令，并理解其含义。2.设计并实现微指令系统。教学目标1.了解译码器、微指令结构的基本工作原理。2.学习设计微指令的方法。一.背景知识（1）微指令构造

①译码器：前两次实验的每一项操作都是通过人工设置电键ki的位置——Ki编码，然后给出一个CK脉冲来完成。如果有一个器件能给出对应与每个操作的ki编码，这个器件就可以代替我们来为操作译码——产生控制信号，这个器件就是指令译码器，也叫控制器。

常见的控制器有两种：用组合逻辑电路实现控制信号的逻辑电路结构和用存储器实现控制信号的微程序结构。前者将在《在系统编程技术及应用》课程中学习。这里学习后者。

②微指令：把一个操作的控制总线编码放在一个存储单元中，同时给出调用这个单元的方法（例如：这个单元的地址），则对使用者而言，这个调用方法等价于控制总线编码本身，二者都称为微指令（不同场合具体指向不同或没有区别）。例如：在实验二的举例中有控制总线具体连线为：控制电键k9k8k7k6k4k3k2k1k0被控对象OUTENX2X1X0S2S1S0WENAEN一.背景知识（2）对于操作：“ACH送入寄存器A”有ki编码：111111110，假定将其存入一个地址为F3H的随意选取的存储器单元中，且可以用“读F3”的方式取出这个内容并送上控制总线，则“读F3”和111111110是这个操作的微指令，这两个表达形式等价。③操作序列的形式化表述：同理：把操作“BDH送入寄存器W”的ki编码111111101存入随意选取的FDH地址单元；操作“A－W”的ki编码111100111存入随意选取的B2H地址单元；操作“直通门D的内容送OUT寄存器”的编码0100111111存入DCH地址单元。则实验二举例中的操作序列可以用微指令的形式符号表述为：一.背景知识（3）自然语言表述③ACH送入寄存器A。④BDH送入寄存器W。⑤计算A－W。⑥D的内容送OUT。微指令表述③111111110④111111101⑤111100111⑥010011111微指令表述③读F3。④读FD。⑤读B2。⑥读DC。或④

实验箱的微指令系统：制造厂的工程师根据这个实验箱的功能、部件数量、必须的基本操作等要求，给它安排了24条控制线——控制总线宽度为24。相应地，每条微指令有24位、微程序存储器的每个地址也必须是24位的存储单元。于是厂家把3片8位存储器的对应地址并接在一起，构成一个24位的存储器。具体连接见下图1。于是，每选中一个地址，就有24位控制信号送上控制总线。一.背景知识（4）A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0Wc23c16

c15c8c7C0μPC7μPC6μPC5μPC4μPC3μPC2μPC1μPC0XRDEMWREMRDPCOEEMENIRENEINTELPMARENMAROEOUTENSTENRRDRWRCNFENX2X1X0WENAENS2S1S0Vcc手动A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0WA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0W6116RAM×3程序控制图1图1中，系统用了8条地址线，故最多可以放256条微指令。这个计算机实际上只有36条微指令。它们散布在这256个地址中，散布规律待下次课介绍。图1中3个6116的“写使能”端由两种控制方式，在手动方式下，它们都接Vcc，所以不能写入，这意味着不能在手动方式下编写微指令；在程序（自动）方式下，由程序控制，可以写入数据——编制微指令。开机时系统自动写入厂家编制的微指令系统。一.背景知识（5）A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0Wc23c16

c15c8c7C0μPC7μPC6μPC5μPC4μPC3μPC2μPC1μPC0XRDEMWREMRDPCOEEMENIRENEINTELPMARENMAROEOUTENSTENRRDRWRCNFENX2X1X0WENAENS2S1S0Vcc手动A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0WA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0W6116RAM×3程序控制序号微指令地址序号微指令地址序号微指令地址1234567891011127fbff7b7bf9fc6ffffc77fffc7fbffc7ffefc7fff7cbffffcbffffd6bfffd7bfefd7bff79189a4948c2c7c03ebe6575131415161718192021222324ef7f7ffcff5ffeff3ffeff5fff77ffff9f9fffdf9fffef7ffff7effff7f7fffb9ffffcb7bcecb9cc8495c4bd607080d0252+627282930313233343536fffcd7fffe90fffe91fffe92fffe93fffe94fffe95fffe96fffeb7fffed7ffff17ffffffd41131665d214ae4d8dcc01一.背景知识（6）⑤

微指令汇总及在微程序存储器中的一个地址：在微程序存储器中多个地址中存着同一条微指令，表中只给出了其中的一个地址。一.背景知识（7）⑥

实验箱微程序存储器的地址控制：实验箱微程序存储器的地址由两片可预置初值的四位二进制计数器构成，称作微指令计数器μPC，连线如图2。其工作方式为：当CEP和CET＝00时，计数器保持不变。PE(IREN)=0时，在CK的上升沿，把P0～P3引脚的值打入计数器。由于上边161的P0和P1接地，所以打入的初地址最后两位总是00。当PE=1时，在CK上升沿，上边161加一。当它加到1111值时，其TC为1，使下片161的CEP和CET为1，下片进入计数有效状态。计数为其他值时TC为0。当上边的161为1111值时，下一个CK脉冲，使上片的计数值变为0000，下片加1，然后上片的TC＝0。

IBUS的值由程序存储器输出，进而由PC值决定，不能用电键输入，这个问题下次课讨论。P0Q0P1Q1P2Q2P3Q3CEPCETCLKPETCMRIBUS2IBUS3CkIRENRSTVccμPC0μPC1μPC2μPC3P0Q0P1Q1P2Q2P3Q3CEPCETCLKPETCMRIBUS6IBUS7μPC4μPC5μPC6μPC7IBUS4IBUS5161161图2⑦实验台小键盘使用四个主菜单，用TV/ME键切换

观察内部寄存器；

观察和修改程序存储器；

观察和修改微程序存储器；

手动状态。一.背景知识（8）μPCPCAW00000000内部寄存器TV按EMAdrdata00程序存储器按μEMAdrMHMMML00微程序存储器按Hand…

J1J3ORJ2J3

手动状态按TVTVTV⑨

μEM状态操作：进入μEM状态后，液晶屏显示如下图，闪动光标在Adr下，送入μEM（微指令寄存器）地址后，闪动光标跳到MH下，送入微指令的高字节后，闪动光标跳到MM下，送入微指令的中字节后，闪动光标跳到ML下，送入微指令的低字节，则一条微指令送入微指令寄存器的指定地址单元。若在送入μEM的地址后，按NX键，则液晶屏显示该地址单元中已存贮的微指令值，但这时并不把这个值送上控制总线。即控制总线无改变。再按NX就显示下一个地址单元的微指令值。按LS键显示上一个地址单元的微指令。一.背景知识（9）μEMAdrMHMMML

00

二.实验任务1.观察微指令寄存器地址为31H单元的内容；分析其控制功能；验证该功能是否实现。2.编制一条微指令实现“A非”运算后右移一位的值送OUT；把这条微指令放入微程序寄存器的32H单元；验证它的功能是否实现。(假设A=33H，W=11H，1和2两题连起来做）三.

实验过程举例

实验任务：编制一条微指令实现“A＋W”后右移一位的值送OUT；把这条微指令放入微程序寄存器的03H单元；验证它的功能是否实现。第一步、规划实验要点：1.该操作对应的微指令编码：由下图知：“A＋W”运算对应的控制总线编码为：c2c1c0＝000；“右移一位的值送数据总线”对应的控制总线编码为：c7c6c5=101；“数据总线值打入送OUT寄存器”对应的控制总线编码为：c13=0。这操作的微指令编码：c23~c0=1111111111011110

10111000=FFDEB8H

c23c16

c15c8c7c0μPC7～μPC0XRDEMWREMRDPCOEEMENIRENEINTELPMARENMAROEOUTENSTENRRDRWRCNFENX2X1X0WENAENS2S1S0Vcc手动

A0～A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0W程序控制

A0～A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0W

A0～A7A8A9A10CED7D6D5D4D3D2D1D0W第二步、安排实验步骤：1.初始化系统（Reset)，进入微程序存储器模式(μEM状态)，用NX键观察00H，01H，02H和03H地址中原有的微指令。2.因为这条指令要放入03单元，为避免00，01和02地址中的指