1、實驗項目微程序控制器實驗實驗時間2015年10月31日實驗目的(1) 掌握微程序控制器的組成原理。(2) 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行過程。實驗設備PC機一臺，TD-CMA實驗系統一套實驗原理微程序控制器的基本任務是完成當前指令的翻譯和執行，即將當前指令的功能轉換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數據傳送和各種處理操作。它的執行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器,微程

2、序控制器原理框圖如圖3-2-1 所示。控制器是嚴格按照系統時序來工作的，因而時序控制對于控制器的設計是非常重要的，從前面的實驗可以很清楚地了解時序電路的工作原理，本實驗所用的時序由時序單元來提供，分為四拍TS1、TS2、TS3、TS4，時序單元的介紹見附錄2。微程序控制器的組成見圖3-2-2，其中控制存儲器采用3 片2816 的E2PROM，具有掉電保護功能，微命令寄存器18 位，用兩片8D 觸發器（273）和一片4D（175）觸發器組成。微地址寄存器6 位，用三片正沿觸發的雙D 觸發器（74）組成，它們帶有清“0”端和預置端。在不判別測試的情況下，T2 時刻打入微地址寄存器的內容即為下一條微

3、指令地址。當T4 時刻進行測試判別時，轉移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發器置為“1”狀態，完成地址修改。在實驗平臺中設有一組編程控制開關KK3、KK4、KK5（位于時序與操作臺單元），可實現對存儲器（包括存儲器和控制存儲器）的三種操作：編程、校驗、運行。考慮到對于存儲器（包括存儲器和控制存儲器）的操作大多集中在一個地址連續的存儲空間中，實驗平臺提供了便利的手動操作方式。以向00H 單元中寫入332211 為例，對于控制存儲器進行編輯的具體操作步驟如下：首先將KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數檔，由CON 單元的SD05SD00 開關給出

4、需要編輯的控存單元首地址（000000），IN 單元開關給出該控存單元數據的低8 位（00010001），連續兩次按動時序與操作臺單元的開關ST（第一次按動后MC 單元低8 位顯示該單元以前存儲的數據，第二次按動后顯示當前改動的數據），此時MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當前地址（000000），M7M0 顯示當前數據（00010001）。然后將KK5 撥至加1檔，IN 單元開關給出該控存單元數據的中8 位（00100010），連續兩次按動開關ST，完成對該控存單元中8 位數據的修改，此時MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當前地址（000000），M15M8 顯示當前數據（0010001

5、0）；再由IN 單元開關給出該控存單元數據的高8 位（00110011），連續兩次按動開關ST，完成對該控存單元高8 位數據的修改此時MC 單元的指示燈MA5MA0 顯示當前地址（000000），M23M16 顯示當前數據（00110011）。此時被編輯的控存單元地址會自動加1（01H），由IN 單元開關依次給出該控存單元數據的低8 位、中8 位和高8 位配合每次開關ST 的兩次按動，即可完成對后續單元的編輯。編輯完成后需進行校驗，以確保編輯的正確。以校驗00H 單元為例，對于控制存儲器進行校驗的具體操作步驟如下：首先將KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置

6、數檔。由CON 單元的SD05SD00 開關給出需要校驗的控存單元地址（000000），連續兩次按動開關ST，MC 單元指示燈M7M0 顯示該單元低8 位數據（00010001）；KK5 撥至加1檔，再連續兩次按動開關ST，MC 單元指示燈M15M8 顯示該單元中8 位數據（00100010）；再連續兩次按動開關ST，MC 單元指示燈M23M16 顯示該單元高8 位數據（00110011）。再連續兩次按動開關ST，地址加1，MC 單元指示燈M7M0 顯示01H 單元低8 位數據。如校驗的微指令出錯，則返回輸入操作，修改該單元的數據后再進行校驗，直至確認輸入的微代碼全部準確無誤為止，完成對微指令

7、的輸入。位于實驗平臺MC 單元左上角一列三個指示燈MC2、MC1、MC0 用來指示當前操作的微程序字段，分別對應M23M16、M15M8、M7M0。實驗平臺提供了比較靈活的手動操作方式，比如在上述操作中在對地址置數后將開關KK4 撥至減1檔，則每次隨著開關ST 的兩次撥動操作，字節數依次從高8 位到低8 位遞減，減至低8 位后，再按動兩次開關ST，微地址會自動減一，繼續對下一個單元的操作。微指令字長共24 位，控制位順序如表3-2-1：其中MA5MA0 為6 位的后續微地址，A、B、C 為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。C 字段中的P<1>為測試字位。其功能是根據機器指令

8、及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現完成對指令的識別，并實現微程序的分支，本系統上的指令譯碼原理如圖3-2-3 所示，圖中I7I2 為指令寄存器的第72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器的強置端輸出，指令譯碼邏輯在IR 單元的INS_DEC（GAL20V8）中實現。從圖3-2-2 中也可以看出，微控器產生的控制信號比表3-2-1 中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制信號也不一樣，本實驗只用了部分的控制信號。本實驗除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器R0 外，還要用到IN 和OUT 單元，從微控器出來的信號中只有IOM、WR 和RD 三個信號，所以對這

9、兩個單元的讀寫信號還應先經過譯碼，其譯碼原理如圖3-2-4 所示。IR 單元的原理圖如圖3-2-5 所示，R0 單元原理如圖3-2-7 所示，IN 單元的原理圖見圖2-1-3 所示，OUT 單元的原理圖見圖3-2-6 所示。實驗中機器指令由CON 單元的二進制開關手動給出，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產生，為此可以設計出相應的數據通路圖，見圖3-2-8 所示。幾條機器指令對應的參考微程序流程圖如圖3-2-9 所示。圖中一個矩形方框表示一條微指令，方框中的內容為該指令執行的微操作，右上角的數字是該條指令的微地址，右下角的數字是該條指令的后續微地址，所有微地址均用16 進制表示。向下的箭

10、頭指出了下一條要執行的指令。P<1>為測試字，根據條件使微程序產生分支。實驗原理將全部微程序按微指令格式變成二進制微代碼，可得到表 3-2-2 的二進制代碼表。 實驗步驟1、按圖3-2-10所示連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。如果有滴報警聲，說明總線有競爭現象，應關閉電源，檢查接線，直到錯誤排除。2. 對微控器進行讀寫操作，分兩種情況：手動讀寫和聯機讀寫。1) 手動讀寫(1) 手動對微控器進行編程（寫） 將時序與操作臺單元的開關KK1置為停止檔，KK3置為編程檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數檔。 使用CON單元的SD05SD00給出微地址，IN單元給出低8位應寫入的數據，

11、連續兩次按動時序與操作臺的開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關KK5置為加1檔。IN單元給出中8位應寫入的數據，連續兩次按動時序與操作臺的開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的中8位。IN單元給出高8位應寫入的數據，連續兩次按動時序與操作臺的開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的高8位。 重復、四步，將表3-2-2的微代碼寫入2816芯片中。(2) 手動對微控器進行校驗（讀） 將時序與操作臺單元的開關KK1置為停止檔，KK3置為校驗檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數檔。 使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續兩次按動時序與操作臺的開關ST，MC單

12、元的指數據指示燈M7M0顯示該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關KK5置為加1檔。 連續兩次按動時序與操作臺的開關ST，MC單元的指數據指示燈M15M8顯示該單元的中8位，MC單元的指數據指示燈M23M16顯示該單元的高8位。 重復、四步，完成對微代碼的校驗。如果校驗出微代碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認微指令的輸入無誤為止。2) 聯機讀寫(1) 將微程序寫入文件聯機軟件提供了微程序下載功能，以代替手動讀寫微控器，但微程序得以指定的格式寫入到以TXT為后綴的文件中，微程序的格式如下：如$M 1F 112233，表示微指令的地址為1FH，微指令值為11H（高）、22H（中）、33H（低

13、），本次實驗的微程序如下，其中分號；為注釋符，分號后面的內容在下載時將被忽略掉。(2) 寫入微程序用聯機軟件的“【轉儲】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實驗系統。裝入過程中，在軟件的輸出區的結果欄會顯示裝載信息，如當前正在裝載的是機器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(3) 校驗微程序選擇聯機軟件的“【轉儲】【刷新指令區】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區顯示。檢查微控器相應地址單元的數據是否和表3-2-2中的十六進制數據相同，如果不同，則說明寫入操作失敗，應重新寫入，可以通過聯機軟件單獨修改某個單元的微指令，先用鼠標左鍵單擊指令區的微存TAB按鈕，然后再單擊需修

14、改單元的數據，此時該單元變為編輯框，輸入6位數據并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數據。3. 運行微程序運行時也分兩種情況：本機運行和聯機運行。1) 本機運行 將時序與操作臺單元的開關KK1、KK3置為運行檔，按動CON單元的CLR按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時也將指令寄存器（IR）、ALU單元的暫存器A和暫存器B清零。 將時序與操作臺單元的開關KK2置為單拍檔，然后按動ST按鈕，體會系統在T1、T2、T3、T4節拍中各做的工作。T2節拍微控器將后續微地址（下條執行的微指令的地址）打入微地址寄存器，當前微指令打入微指令寄存器，并產生執行部件相應的控制信號；T3、T4節拍根據T2節

15、拍產生的控制信號做出相應的執行動作，如果測試位有效，還要根據機器指令及當前微地址寄存器中的內容進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，實現微程序的分支。 按動CON單元的CLR按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時序與單元的開關KK2置為單步檔。 置IN單元數據為00100011，按動ST按鈕，當MC單元后續微地址顯示為000001時，在CON單元的SD27SD20模擬給出IN指令00100000并繼續單步執行，當MC單元后續微地址顯示為000001時，說明當前指令已執行完；在CON單元的SD27SD20給出ADD指令00000000，該指令將會在下個T3被打入指令寄存器（IR），它將R0中

16、的數據和其自身相加后送R0；接下來在CON單元的SD27SD20給出OUT指令00110000并繼續單步執行，在MC單元后續微地址顯示為000001時，觀查OUT單元的顯示值是否為01000110。2) 聯機運行聯機運行時，進入軟件界面，在菜單上選擇【實驗】【微控器實驗】，打開本實驗的數據通路圖，也可以通過工具欄上的下拉框打開數據通路圖，數據通路圖如圖3-2-8所示。 將時序與操作臺單元的開關KK1、KK3置為運行檔，按動CON單元的總清開關后，按動軟件中單節拍按鈕，當后續微地址（通路圖中的MAR）為000001 時，置CON單元SD27SD20，產生相應的機器指令，該指令將會在下個T3被打入

17、指令寄存器（IR），在后面的節拍中將執行這條機器指令。仔細觀察每條機器指令的執行過程，體會后續微地址被強置轉換的過程，這是計算機識別和執行指令的根基。也可以打開微程序流程圖，跟蹤顯示每條機器指令的執行過程。按本機運行的順序給出數據和指令，觀查最后的運算結果是否正確。實驗結果輸入數據助記符機器指令代碼結果備注00010001IN0010 0000R0=11從IN單元讀入數據到R0中ADD0000 0000R0=22R0和自身相加結果送到R0中OUT0011 0000OUT=22把R0的數據傳送到OUT單元顯示HLT0101 0000停機操作實驗結果如圖所示：結果分析在IN單元中輸入數據00010001，使用CON 單元的SD27SD20 給出指令IN、ADD、OUT、TMP、HLT的數據00100000、00000000、00110000、01010000，連續按動時序與操作臺的開關ST，觀察電腦中的數據通路圖記錄數據。（1）當CON單元輸入指令代碼00100000時，數據通路圖中IN中的數據傳送到R0中，R0中顯示R0=11，實現了從IN單元讀入數據傳送到R0中過程。（2）當CON單元輸入指令代碼00000000時，數據通路圖中A=11、B=11通過ALU運算器實現自加后把結果傳送給R0，R0中顯示R0=22，