计算机组成原理微程序设计

实验三微程序设计

一、实验目的：

1.掌握时序产生器的组成及工作原理；掌握微程序控制器的组成及工作原理；2.根据给出的指令系统、微指令格式、微命令的字段译码方案、地址转移逻辑电路分别设计部分微程序流程图、微指令的二进制代码；3.掌握微程序的编制、写入和读出验证的方法；4.根据给出的汇编语言和机器语言源程序，通过改变SE1～SE6的值，模拟P(1)测试，观察微程序的运行过程，掌握由微程序解释机器语言源程序的工作原理。

二、实验设备

TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验内容

1.实验原理实验所用的时序电路原理如图5-1所示，可产生4个等间隔的时序信号TS1-TS4，其中φ为时钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器Cr，使TS1-TS4信号输出可控。图5-1中STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验台上方中部的两个二进制开关STEP、STOP的模拟信号。START键是来自实验板上方中部的一个微动开关START的按键信号。当STEP的开关为0时（EXEC），一旦按下启动键，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因此时序信号TS1-TS4将周而复始地发送出去。当STEP为1（STEP）时，一旦按下启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连续运行时，如果STOP开关置“1”(STOP)，也会使机器停机。

由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接(即将时序电路的时钟脉冲输入端φ接至方波信号发生器输出端H23)，时序电路的CLR已接至实验板右下方的CLR模拟开关上。2.微程序控制电路与微指令格式（1）微程序控制电路微程序控制器的组成见图5-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和预置端。在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令的微地址。当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成微地址的多路转移功能。在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验台中部上方）,它具有三种状态：PROM（编程）、READ(校验)、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控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“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。（2）微指令格式微指令字长共24位，其微指令格式及每位的功能如表5-1所示。

其中UA5-UA0为6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。C字段中的P（1）-P（4）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口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图5-3所示，图中I7-I2为指令寄存器的第7-2位输出，SE6-SE1为微程序控制器单元微地址锁存器的异步置“1”输入端。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为低电零有效。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B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(均为低电平有效)，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理如图5-4，图中I0-I3为指令寄存器的第0-3位，LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位，高电平有效。说明：指令格式中IN指令为单字长（8位）指令，其它指令为双字长指令（16位），指令格式中给出了各条指令的操作码编码，Rs为源寄存器编码（共2位），Rd为目的寄存器编码（共2位）。

4.实验步骤（1）图5-5给出了几条机器指令对应的参考微程序流程图，设计ADD和JMP机器指令对应的微程序流程图，将有关的微程序按微指令格式编写二进制代码，填入表5-2所示的二进制代码表。表5-2微指令的二进制代码表

（2羽）按父图5狼-6管连接庄实验止线路距，仔罩细查行线无播误后饮接通屈电源梅。时序映电路皇中的瘦“ST滤OP宾”开关爆置为劈燕“RU从N”参,“想ST戚EP友”开关量置为甘“EX涉EC碰”。按动ST躬AR召T按键韵。（4列）观索察微党程序胀控制事器的低工作嗓原理鉴：①编讯程A.将编蒜程开决关置范为PR马OM欠（编程跪）状俗态；B.将实淡验板蝇上“ST兆AT烈E糖UN介IT双”中的族“ST惨EP亲”置为崖“ST们EP获”,陕“S真TO歇P”置为初“RU眠N”状态琴；C.用二总进制舍模拟狭开关宜置微德地址MA窃5-速MA御0；D.在MK躲24宵-M屈K1开关尾上置垂微代王码，镜24愚位开伸关对盗应2证4位竟显示葛灯，举开关穿量为安“0虾”时慕灯亮钩，开脸关量娘为“威1”价时灯倾灭；E.启动抄时序允电路挣（按恩动启康动按搜钮“ST谋AR将T”姐）,即将延微代凑码写列入到E2PR该OM顺（2网81狗6）的相峰应地据址对概应的稍单元母中；F.重复C-挨E步骤句，将纳表5腔-2托的微宫代码欣写入韵到2珠81嫩6。②校恶验A.将编姑程开级关设动置为RE骑AD聚(校验持)状增态；B.将实棕验板遵的“ST捧EP鼻”开关帐置为逼“ST戒EP植”状态滴，“ST肃OP贵”开关筑置为读“RU拴N”状态鲁；C.用二批进制旬开关巴置好钟微地测址MA帖5－灯MA究0；D.按动煌“ST社AR宇T”键，君启动须时序吴电路朱，读顷出微各代码忆。观达察显雅示灯MD仙24钱-M属D1的状锹态（文灯亮宁为“示0”区，灯谢灭为冒“1殖”）此，检倍查读克出的想微代盘码是古否与猪写入傅的相隶同。题如果凉不同索，则铃将开幸关置宝于PR绢OM编程适状态座，重羽新执飞行①担即可将。③单猫步运掌行A.将编得程开秤关置疫于“RU妥N(运行溜)”遇状态疑；B.将实越验板皇的“ST换EP旗”开关戴置为锅“ST烈EP威”状态经，“ST娃OP馋”开关处置为滑“RU缸N”状态络；C.操作CL告R开关薪（拨特动开州关在驼实验绢板右蔑下角蹈）使CL淹R信号桂1－捷>0盯->盖1,丛微地紧址寄阶存器MA羞5-尘MA穿0清零葬，从汤而明业确本印机的更运行淘入口汉微地钢址为坡00洲00粪00备（二挣进制悬）；D.按动骗“ST歪AR膝T”键，政启动统时序截电路拥，则削每按庄动一谅次启吊动键财，读隔出一镰条微边指令夜后停邀机，绣此时设实验欠台上参的微斧地址敲显示任灯和篮微命慈令显多示灯例将显筝示所似读出毛的一答条指士令。注意掏：在脏当前漆条件困下，胸可将鲜“MI句CR向0-北CO杀NT将RO钥LL秀ER薄”单元脖的SE蛛6-自SE宽1接至侨“SW司IT锋CH幸U算NI趴T”中的S3朝-Cn对应抵二进庄制开胖关上拨（即欠：将SE控1-酿SE优6对应阁二进御制开菠关置凯为“爬1”古），隶当需掘要人积为设雨置分洋支地砖址时协，可俩通过猴强制渠端SE升1-根SE就6人为矛设置苹分支凑地址贤，将完某个甚或某怒几个铺二进四制开营关置任为“辱0”在，相雾应的迎微地街址位乌即被征强置辣为“航1”跪，从软而改悬变下歼一条雀微指照令的占地址怀。（贼二进适制开骡关置述为“葛0”屑，相钱应的集微地书址位俊将被窝强置哭为“偷1”衫）④连捷续运海行A.将编纲程开汪关置万为“RU凡N(运行豪)”念状态丛；B.将实捧验板证的单蔽步开斑关“ST天EP革”置为肆“EX隆EC凶”状态登，“ST蒸OP赌”开关偿置为蛮“RU帝N”状态幼；C.使CL端R从1底－>用0-奴>1遗，此赵时微桥地址它寄存芽器清喂“0湾”，妹从而才给出帜取指州微指涝令的督入口璃地址战为0丑00问00其0（玩二进扩制）理；D.启动音时序搞电路亿，则秤可连掩续读翼出微负指令假。思考贷题：1.伴为什统么取疯指周枣期在洽这里属要占躲用2森个CP馅U周期息？2.剧在解凑释OU锦T指令透时，筑17采、2膊5微荒地址察的微版指令爷所完功成的膝操作躲为什价么不双能由枣一条葡微指挽令实田现？