計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告_微控制器

1、西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題目： 微程序控制器實(shí)驗(yàn) 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1) 理解時(shí)序產(chǎn)生器的原理，了解時(shí)鐘和時(shí)序信號(hào)的波形。(2) 掌握微程序控制器的功能、組成知識(shí)。(3) 掌握微指令格式和各字段功能。(4) 掌握微指令的編制、寫入、觀察微程序的運(yùn)行二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TDCM3+實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求：（一） 實(shí)驗(yàn)原理： 微程序控制電路與微指令格式 (A) 微程序控制電路 微程序控制器的組成見(jiàn)圖10，其中控制存儲(chǔ)器采用3片2816的E2PROM，具有掉電保護(hù)功能，微命令寄存器18位，用兩片8D觸發(fā)器(74273)和一片4D(74175)觸發(fā)器

2、組成。微地址寄存器6位，用三片正沿觸發(fā)的雙D觸發(fā)器(7474)組成，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測(cè)試的情況下，T2時(shí)刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng)T4時(shí)刻進(jìn)行測(cè)試判別時(shí)，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過(guò)強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。 在該實(shí)驗(yàn)電路中設(shè)有一個(gè)編程開(kāi)關(guān)(位于實(shí)驗(yàn)板右上方)，它具有三種狀態(tài)：PROM (編程)、READ(校驗(yàn))、RUN(運(yùn)行)。當(dāng)處于“編程狀態(tài)”時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進(jìn)制代碼寫入到控制存儲(chǔ)器2816中。當(dāng)處于“校驗(yàn)狀態(tài)”時(shí)，可以對(duì)寫入控制存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制代碼進(jìn)行驗(yàn)證，從而可以判斷寫入的二進(jìn)制代碼是否正

3、確。當(dāng)處于“運(yùn)行狀態(tài)”時(shí)，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動(dòng)執(zhí)行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，目的是隔離觸發(fā)器的輸出，增加抗干擾能力，并用來(lái)驅(qū)動(dòng)微地址顯示燈。微程序控制器原理圖 圖10(B) 微指令格式微指令字長(zhǎng)共24位，其控制位順序如圖所示。2322212019181514121198650M23M22WRRDIOMS3S0A字段B字段C字段MA5MA0圖11 微指令格式A字段 B字段 141312選擇/000NOP001LDA010LDB011LDR0100保留101保留110保留111LDIR11109選擇000NOP001ALU-B010R0-B01

4、1保留100保留101保留110保留111保留 876選擇000NOP001P<1>010保留011保留100保留101保留110保留111保留C字段MA5-MA0為6位的后續(xù)微地址，A，B，C為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出多個(gè)微命令。C字段中的P(1)是測(cè)試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，。圖中I7一I2為指令寄存器的第7-2位輸出，SE5SE0為微程序控制器單元微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出。(C)二進(jìn)制代碼表二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 0

5、0 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 35000000000000000000110101將全部微程序按照指令格式變成二進(jìn)制微代碼 可得上表（二） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1

6、. 按照實(shí)驗(yàn)接線圖連接好實(shí)驗(yàn)線路，并且檢查線路，確保無(wú)誤。2. 對(duì)微控器的讀寫操作（1）手動(dòng)讀寫 （2）聯(lián)機(jī)讀寫 3.運(yùn)行微程序（1）本機(jī)運(yùn)行 （2）聯(lián)機(jī)運(yùn)行這次實(shí)驗(yàn)安排了四條機(jī)器指令，分別為 ADD（0000 0000）、IN（0010 0000）、OUT（0011 0000）和 HLT（0101 0000），括號(hào)中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如下： 助記符 機(jī)器指令 說(shuō)明 IN 00100000 INR0 ADD 00000000 R0+R0 R0 OUT 00110000 R0 OUT HLT 01010000 停機(jī) 實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令由 CON 單元的二進(jìn)制開(kāi)關(guān)手動(dòng)給出，其余單元的控制信

7、號(hào)均由微控制器自動(dòng)產(chǎn)生，為此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見(jiàn)圖 3-2-8 所示。 幾條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的參考微程序流程圖如圖 3-2-9 所示。圖中一個(gè)矩形方框表示一條微指令，方框中的內(nèi)容為該指令執(zhí)行的微操作，右上角的數(shù)字是該條指令的微地址，右下角的數(shù)字是該條指令的后續(xù)微地址，所有微地址均用 16 進(jìn)制表示。向下的箭頭指出了下一條要執(zhí)行的指令。P<1>為測(cè)試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。 先手動(dòng)將微指令輸入到CM中，然后利用存儲(chǔ)好的微程序驗(yàn)證00100011（23）自加，并輸出結(jié)果。思考題：設(shè)計(jì)并修改電路，編寫用微程序?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)器中兩個(gè)單字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算，結(jié)果輸出至OUT單元。要

8、求：操作數(shù)由IN單元 R0 MEM MEM R0 ALU ALU R0 結(jié)果 OUT單元輸出（三） 實(shí)驗(yàn)要求（1） 按照實(shí)驗(yàn)步驟連接好電路，按照要求內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（2） 記錄本次實(shí)驗(yàn)的所有運(yùn)行結(jié)果，故障現(xiàn)象及排除過(guò)程（3） 在要求實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上試解決思考題的問(wèn)題（4） 記錄本次實(shí)驗(yàn)的收獲和想法四、 實(shí)驗(yàn)步驟、觀察與思考：（一）幾條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的參考微程序流程圖如下NOP00指令譯碼A+B->R0RO->BNOPR0->OUTIN->R0RO->AP<1>0130ADDINHLTOUT303235333501010405011. 連接實(shí)驗(yàn)線路：仔細(xì)查線無(wú)誤后

9、接通電源。如果有滴報(bào)警聲，說(shuō)明總線有競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。2對(duì)微控器進(jìn)行讀寫操作，分兩種情況：手動(dòng)讀寫和聯(lián)機(jī)讀寫。 1) 手動(dòng)讀寫 (1) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行編程（寫） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為編程檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，IN 單元給出低 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低 8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK5 置為加 1檔。 IN 單元給出中 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān) ST，

10、將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中 8 位。IN 單元給出高 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，將表 3-2-2 的微代碼寫入 2816 芯片中。 (2) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行校驗(yàn)（讀） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗(yàn)檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0 顯示該單元的低 8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK5 置為加 1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)

11、的開(kāi)關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15M8 顯示該單元的中 8 位，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23M16 顯示該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，完成對(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫入錯(cuò)誤，重新寫入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無(wú)誤為止。 2) 聯(lián)機(jī)讀寫 (1) 將微程序?qū)懭胛募?聯(lián)機(jī)軟件提供了微程序下載功能，以代替手動(dòng)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：$M XX XXXXXX十六進(jìn)制地址微指令微指令代碼標(biāo)志如$M 1F 112233，表示微指令的地址為 1FH，微指令值為 11H（高）、22H（中）、33H（低），本次實(shí)驗(yàn)的微程序如

12、下，其中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉。 (2) 寫入微程序 用聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。裝入過(guò)程中，在軟件的輸出區(qū)的結(jié)果欄會(huì)顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機(jī)器指令還是微指令，還剩多少條指令等。 (3) 校驗(yàn)微程序 選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)是否和表 3-2-2 中的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)相同，如果不同，則說(shuō)明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的微指令，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB 按鈕，然后再單擊需修改單元的

13、數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁颍斎?6 位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。；/*/；/ /；/ 指令文件 /；/ /；/*/ ；/* Start Of MicroController Data*/ $M 00 000001 ; NOP $M 01 007070 ; CON(INS)->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B $M 05 04B201 ; A 加 B->R0 $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35

14、 000035 ; NOP ; /* End Of MicroController Data * / 3. 運(yùn)行微程序 運(yùn)行時(shí)也分兩種情況：本機(jī)運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。1) 本機(jī)運(yùn)行 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，按動(dòng) CON 單元的 CLR 按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時(shí)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(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK2 置為單拍檔，然后按動(dòng) ST 按鈕，體會(huì)系統(tǒng)在 T1、 T2、T3、T4 節(jié)拍中各做的工作。T2 節(jié)拍微控器將后續(xù)微地址（下條執(zhí)行的微指令的地址）打入微地址寄存器，當(dāng)前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)

15、生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號(hào)；T3、T4 節(jié)拍根據(jù) T2 節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號(hào)做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，如果測(cè)試位有效，還要根據(jù)機(jī)器指令及當(dāng)前微地址寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實(shí)現(xiàn)微程序的分支。 按動(dòng) CON 單元的 CLR 按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時(shí)序與單元的開(kāi)關(guān) KK2 置為單步檔。 置 IN 單元數(shù)據(jù)為 00100011，按動(dòng) ST 按鈕，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時(shí)，在 CON 單元的 SD27SD20 模擬給出 IN 指令 00100000 并繼續(xù)單步執(zhí)行，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在 CO

16、N 單元的 SD27SD20 給出 ADD 指令 00000000，該指令將會(huì)在下個(gè) T3 被打入指令寄存器（IR），它將 R0 中的數(shù)據(jù)和其自身相加后送 R0；接下來(lái)在 CON 單元的 SD27SD20 給出 OUT 指令 00110000 并繼續(xù)單步執(zhí)行，在 MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時(shí)，觀查 OUT 單元的顯示值是否為 01000110。 2) 聯(lián)機(jī)運(yùn)行 聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入軟件界面，在菜單上選擇【實(shí)驗(yàn)】【微控器實(shí)驗(yàn)】，打開(kāi)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，也可以通過(guò)工具欄上的下拉框打開(kāi)數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖 3-2-8 所示。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，按

17、動(dòng) CON 單元的總清開(kāi)關(guān)后，按動(dòng)軟件中單節(jié)拍按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址（通路圖中的 MAR）為 000001 時(shí)，置 CON 單元 SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器指令，該指令將會(huì)在下個(gè) T3 被打入指令寄存器（IR），在后面的節(jié)拍中將執(zhí)行這條機(jī)器指令。仔細(xì)觀察每條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程，體會(huì)后續(xù)微地址被強(qiáng)置轉(zhuǎn)換的過(guò)程，這是計(jì)算機(jī)識(shí)別和執(zhí)行指令的根基。也可以打開(kāi)微程序流程圖，跟蹤顯示每條機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程。 按本機(jī)運(yùn)行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運(yùn)算結(jié)果是否正確。4.思考題解答對(duì)于思考題還需要運(yùn)用到前面的靜態(tài)存儲(chǔ)器的知識(shí)，需要將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的控制單元的（IOW/IOR）位置與存儲(chǔ)器上對(duì)應(yīng)的（IOW/I

18、OR）位置連上。然后編寫聯(lián)機(jī)文件如下：；/*/；/ /；/ 指令文件 /；/ /；/*/ ；/* Start Of MicroController Data*/$M 00 000001 ; NOP $M 01 007070 ; CON(INS)->IR, P<1> $M 38 081001 ;IO->AR $M 36 200401 ; Ro->M $M 37 103001 ; M->Ro $M 04 002405 ; R0->B $M 05 04B201 ; A 加 B->R0 $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP ; /* End Of MicroController Data * /五、 結(jié)論：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)輸入：R0 00100011（23） 理論輸出：R0 01000110（46） 實(shí)際輸出：R0 01000110（46） 思考題實(shí)驗(yàn)輸入：R0 00100011（23） MEN 00000011（3） 理論輸出：R0 00100011+00000011=00100110（26） 實(shí)際輸出：R0 00100110（26）六、 實(shí)驗(yàn)心得：本次實(shí)驗(yàn)是計(jì)