微程序控制器

1、微程序控制器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馕⒊绦蚩刂破鞑考脑?，能根?jù)總體的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路中的控制信號(hào) 設(shè)計(jì)微指令格式，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的微指令命令控制器件完成相關(guān)的功能。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟:設(shè)計(jì)微程序確定微程序流程圖，流程圖中的一條微指令，相當(dāng)于ASM流程圖中的一個(gè) 狀態(tài)。確定微指令格式（如下圖）微指令格式大體上分為控制字段和順序字段兩部分。其中，順序字段又分為 測(cè)試判別字段和下地址字段。微指令格式中的操作控制字段取決于執(zhí)行部件的子 系統(tǒng)需要多少微指令。測(cè)試判別字段取決于微程序流程圖中有多少處分支轉(zhuǎn)移。 下地址字段取決于微程序流程圖的規(guī)模。微命令 七七七耳微地址tHt-ttt tintt-tt,乂乂乂乂乂

2、乂乂乂乂 Ixxxxlxxxxx將微程序編譯成二進(jìn)麻根據(jù)確定的微指令格式，將微程序流程圖中的每一條指令編譯成二進(jìn)制代 碼，這項(xiàng)工作可由相關(guān)的軟件編程實(shí)現(xiàn)。微程序?qū)懭肟刂拼鎯?chǔ)器將二進(jìn)制代碼的微程序?qū)懭隕2PROM中。在我們的實(shí)驗(yàn)箱上可以有數(shù)據(jù)線 連通電腦，由軟件編好的程序下載到芯片中，替換掉原有的一組微指令集。設(shè)計(jì)硬件電路硬件電路包括微地址寄存器、微命令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三部分。前兩部 分可選用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)寄存器芯片，如74LS273。地址轉(zhuǎn)移邏輯的輸入是測(cè)試判斷 標(biāo)志Pi、狀態(tài)條件和時(shí)間因素Tj （讀ROM時(shí)間），先寫出邏輯表達(dá)式，然后用 門電路芯片實(shí)現(xiàn)。下面是微程序控制器的結(jié)構(gòu)圖。讀數(shù)據(jù)。E

3、MWR：程序存儲(chǔ)器EM寫信號(hào)。EMRD：程序存儲(chǔ)器EM讀信號(hào)。PCOE：將程序計(jì)數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上。EMEN：將程序存儲(chǔ)器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，由EMWR和EMRD決定是將DBUS 數(shù)據(jù)寫到EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)送到DBUS。IREN:將程序存儲(chǔ)器EM讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計(jì)數(shù)器uPC。EINT：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志，便于下次中斷。ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR3、IR2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。MAREN:將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)打入地址寄存器MAR。MAROE:將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。OUTEN:將數(shù)據(jù)總線

4、DBUS上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器OUT里。STEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器ST中。RRD： 讀寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。RWR： 寫寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。CN：決定運(yùn)算器是否帶進(jìn)位移位，CN=1帶進(jìn)位，CN=0不帶進(jìn)位。FEN：將標(biāo)志位存入ALU內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。WEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入工作寄存器W中。AEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入累加器A中。S2： S1： S0：S2、S1、S0三位組合決定ALU做何種運(yùn)算。如下表所示：S2 S1 S0功能000A+W加001A-W減010AIW或011A&W與

5、100A+W+C帶進(jìn)位加101A-W-C帶進(jìn)位減110AA取反111A輸出AX2： X1： X0： X2、X1、X0三位組合來(lái)譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的寄存器。如下表所示:X2 X1 X0輸出寄存器000IN_OE外部輸入門001IA_OE中斷向量010ST_OE堆棧寄存器011PC_OEPC寄存器100D_OE直通門101R_OE右移門110L_OE左移門111沒有輸出實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)及調(diào)試1、設(shè)計(jì)微程序的匯編程序如下:MOVR0，#10H立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送MOVA，#20H立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送ADDCA，R0寄存器尋址，帶進(jìn)位加SUBA，R0寄存器間接尋址，減運(yùn)算CPLA累加器尋址，求反

6、JMP0存儲(chǔ)器尋址，無(wú)條件跳轉(zhuǎn)2、微程序設(shè)計(jì)及其分析如下表所示:助記符狀態(tài)微地址微程序數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)打入地址 輸出運(yùn)算器移 位 控 制uPCPC_FATCH_T000CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫 入+1MOVR0，#10HT104C7FBFF存儲(chǔ)器值EM寄存器R？PC輸出A輸出+1+1T005CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫 入+1MOVA， #20HT108C7FFF7存儲(chǔ)器值EM寄存器APC輸出A輸出+1+1T009CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫 入+1ADDCA，R0T20CFFF7EF寄存器值R？寄存器WA輸出+1T10DFFFE94ALU直通寄存器A

7、，標(biāo)志位C，Z帶進(jìn)位加運(yùn)算+1T00ECBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫 入+1SUBA，R0T310FF77FF寄存器值R？地址寄存器WARA輸出+1T211D7BFEF存儲(chǔ)器值EM寄存器WMAR輸出A輸出+1T112FFFE91ALU直通寄存器A，標(biāo)志位C，Z減運(yùn)算+1T013CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1CPL AT114FFFE96ALU直通寄存器A，標(biāo)志位C，ZA取反+1T015CBFFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1JMP MMTI18C6FFFF存儲(chǔ)器值EM寄存器PCPC輸出A輸出+1寫入T019CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1

8、分析如下：每個(gè)程序的一開始的第一條微指令一定是取指令，此微指令的值為 0CBFFFFH，對(duì)應(yīng)的各控制位就是EMRD、PCOE IREN有效，其他所有位 都處于無(wú)效狀態(tài)。在程序第一次運(yùn)行或復(fù)位后，uPC和PC的值都為零，PCOE 有效將PC值送到ABUS，作為程序存儲(chǔ)器EM的地址，EMRD有效就是從程序 存儲(chǔ)器中讀出程序指令，IREN將讀出的指令送IR寄存器和uPC，此微指令的作 用就是：從程序存儲(chǔ)器EM的0地址讀出程序指令機(jī)器碼7CH，并存入uPC中 作為微程序存儲(chǔ)器uM的地址，從微程序存儲(chǔ)器uM的04H單元中讀出微控制 0C7FBFFH，同時(shí)PC加1為讀下一條指令做準(zhǔn)備。MOV R0，#85

9、H:本指令為兩個(gè)周期狀態(tài)。在T1狀態(tài)時(shí)，微指令的值為 C7FBFF，對(duì)應(yīng)的各個(gè)控制位為：EMRD、PCOE、EMEN及RWR為低，處于有 效狀態(tài)，其他控制位為無(wú)效狀態(tài)。由于上條微指令（取指操作）已將PC加1， 此時(shí)PCOE是將加1后的PC輸出到ABUS作為程序存儲(chǔ)器EM的地址，EMRD 就是從程序存儲(chǔ)器EM中讀出數(shù)據(jù)，本指令中讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為10H，EMEN將讀 出的數(shù)據(jù)送到DBUS總線上，RWR是將DBUS總線上的值寫入寄存R0中。同 時(shí)uPC加1為執(zhí)行下條微指令做準(zhǔn)備，PC加1為讀取下一條指令做準(zhǔn)備。每條 指令的最后一條微指令一定是取指令操作，本指令的T0狀態(tài)周期即為取指令， 執(zhí)行上一條微指

10、令時(shí)uPC已經(jīng)加1，按照此uPC為地址從微程序存儲(chǔ)器uM讀出 的微指令的值為0CBFFFFH，參照第一步的說(shuō)明，此微指令從程序存儲(chǔ)器EM中 讀取指令。MOV A，#20H： 本指令為兩個(gè)周期狀態(tài)。在T1狀態(tài)時(shí)，微指令的值為 C7FFF7，對(duì)應(yīng)的各個(gè)控制位為：EMRD、PCOE、EMEN及AEN為低，處于有 效狀態(tài)，其他控制位為無(wú)效狀態(tài)。由于上條微指令（取指操作）已將PC加1， 此時(shí)PCOE是將加1后的PC輸出到ABUS作為程序存儲(chǔ)器EM的地址，EMRD 就是從程序存儲(chǔ)器EM中讀出數(shù)據(jù)，本指令中讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為85H，EMEN將讀 出的數(shù)據(jù)送到DBUS總線上，AEN是將DBUS總線上的值存入累加器

11、A中， 同時(shí)uPC加1為執(zhí)行下條微指令做準(zhǔn)備，PC加1為讀取下一條指令做準(zhǔn)備。每 條指令的最后一條微指令一定是取指令操作，本指令的T0狀態(tài)周期即為取指令， 執(zhí)行上一條微指令時(shí)uPC已經(jīng)加1，按照此uPC為地址從微程序存儲(chǔ)器uM讀出 的微指令的值為0CBFFFFH，參照第一步的說(shuō)明，此微指令從程序存儲(chǔ)器EM中 讀取指令。ADDC A，R0： 本指令為三個(gè)周期狀態(tài)。在T2狀態(tài)，由上次取指操作 取出的指令碼為21H，由IREN存入指令寄存器IR，最低兩位為00（二進(jìn)制），選 擇寄存器R0，指令碼由于IREN打入uPC時(shí)，忽略掉指令的最低兩位，而將uPC 的最低兩位置成00，uPC的值為0CH，訪問(wèn)微

12、程序存儲(chǔ)器的0CH單元，讀出微 指令值為0FFF7EFH，有效位為RRD及WEN，就是將R0內(nèi)容送到工作寄存器 W，uPC加1取出下條微指令，在T1狀態(tài)，讀出的微指令值為0FFFE94H，有 效位為FEN和AEN，F(xiàn)EN完成的操作是將標(biāo)志位存入標(biāo)志寄存器F（ALU內(nèi)部）， X2X1X0選擇“人匚。直通”到數(shù)據(jù)總線DBUS，S2S1S0選擇的運(yùn)算操作為“帶 進(jìn)位的加法運(yùn)算”，AEN將DBUS上的數(shù)據(jù)存入累加器A。在T0狀態(tài)，取出 將要執(zhí)行的指令。SUB A，R0:本指令有四個(gè)狀態(tài)周期。在T3狀態(tài)，上次取出的指令碼 為35H，最低兩位用于尋址R0寄存器，uPC的最低兩位置0，來(lái)訪問(wèn)uM的10H 單

13、元的微指令，讀出值為0FF77FFH，將R1的值存入MAR，有效位為RRD和 MAREN。在T2狀態(tài)，微指令為0D7BFEFH，表示用MAR作為地址從EM中讀 出數(shù)據(jù)送到DBUS再存到 W中，有效位為EMRD、EMEN、MAROE及 WEN。 在T1狀態(tài)微指令為0FFFE91H，表示ALU做“減運(yùn)算”，其結(jié)果直通到DBUS， 再存入A中，同時(shí)保存標(biāo)志位。T0狀態(tài)為取指令操作。CPL A：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)，微指令為0FFFE96H，有 效控制位為AEN和FEN，S2S1S0=110表示ALU做“取反”運(yùn)算，X2X1X0=100（二 進(jìn)制）表示，運(yùn)算器結(jié)果直通到DBUS，再存入A中

14、，并保存標(biāo)志位。T0狀態(tài) 為取指令操作。取出將要執(zhí)行的一條指令。JMP 00：本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在T1狀態(tài)，由上條取指令操作讀出的 指令碼為18H，存入IR寄存器后，IR3、IR2的值為11（二進(jìn)制），此為無(wú)條件跳 轉(zhuǎn)控制，指令碼存入uPC后，從uM讀出的微指令為0C6FFFFH，表示以PC為 地址從EM中讀出數(shù)據(jù)并送到數(shù)據(jù)總線DBUS上，因?yàn)镋LP有效，與IR3、IR2 組合產(chǎn)生PC的打入信號(hào)，將DBUS上的數(shù)據(jù)存入PC中，有效控制位為EMRD、 PCOE、EMEN及ELP。T0狀態(tài)為取指令操作。取出將要執(zhí)行的一條指令。三、實(shí)驗(yàn)不足與改進(jìn):首先，本實(shí)驗(yàn)我用實(shí)驗(yàn)箱自帶的微指令集進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)

15、證，并成功了。但沒 能實(shí)現(xiàn)自編的微程序指令集。后來(lái)想利用所學(xué)的知識(shí)編了一個(gè)滿足要求的程序，并把它輸入源程序窗口， 然后就進(jìn)行匯編，結(jié)果下下來(lái)的軟件是英文版的，也沒有指導(dǎo)資料，無(wú)從下手， 程序也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，另外受到期末備考的影響，時(shí)間精力有限。很遺憾最終還是 沒能在實(shí)際中運(yùn)行成功，僅停留在“理論”上。我堅(jiān)信如果在時(shí)間充裕、且有幾 個(gè)感興趣的同學(xué)組隊(duì)再進(jìn)行研究一番的話肯定會(huì)成功的！四、實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)：初次接觸這樣的實(shí)驗(yàn)，剛開始時(shí)覺得很茫然，不知道從何處著手，于是就把 計(jì)算機(jī)原理上有關(guān)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)都細(xì)看了一遍。經(jīng)過(guò)老師的指點(diǎn)和同學(xué)的探討 后，我就從實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書上和網(wǎng)上尋找與設(shè)計(jì)有關(guān)的東西來(lái)看并加以掌握。先從實(shí) 驗(yàn)箱和Max+Plus軟件了解實(shí)驗(yàn)儀器、軟件各方面的參數(shù)指標(biāo)、功能與作用，接 著進(jìn)一步來(lái)熟悉它的所有部件及24位控制位的作用，同時(shí)對(duì)模型機(jī)的基本尋址 方式及指令集進(jìn)行熟悉和掌握。然后就是對(duì)實(shí)驗(yàn)例子進(jìn)行仔細(xì)的分析和理解，熟 悉各類型指令的功能。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我明白了很多東西都是要靠自己一點(diǎn)點(diǎn)的努力得來(lái)的， 而且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中除了自己認(rèn)真鉆究