計算機組成原理實驗報告-微控制器

西北工業(yè)大學《計算機組成原理實驗報告》PAGEPAGE4計算機組成原理實驗報告題目：微程序控制器實驗實驗目的：(1)理解時序產(chǎn)生器的原理，了解時鐘和時序信號的波形。(2)掌握微程序控制器的功能、組成知識。(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、觀察微程序的運行實驗設(shè)備PC機一臺，TD—CM3+實驗系統(tǒng)一套。實驗內(nèi)容及要求：實驗原理：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圖10，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(fā)器(74273)和一片4D(74175)觸發(fā)器組成。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(nèi)容即為下一條微指令地址。當T4時刻進行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。在該實驗電路中設(shè)有一個編程開關(guān)(位于實驗板右上方)，它具有三種狀態(tài)：PROM(編程)、READ(校驗)、RUN(運行)。當處于“編程狀態(tài)”時，實驗者可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入到控制存儲器2816中。當處于“校驗狀態(tài)”時，可以對寫入控制存儲器中的二進制代碼進行驗證，從而可以判斷寫入的二進制代碼是否正確。當處于“運行狀態(tài)”時，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，并用來驅(qū)動微地址顯示燈。微程序控制器原理圖圖10先手動將微指令輸入到CM中，然后利用存儲好的微程序驗證00100011（23）自加，并輸出結(jié)果。思考題：設(shè)計并修改電路，編寫用微程序?qū)崿F(xiàn)存儲器中兩個單字節(jié)十六進制數(shù)的加法運算，結(jié)果輸出至OUT單元。要求：操作數(shù)由IN單元R0MEMMEMR0ALUALUR0結(jié)果OUT單元輸出實驗要求按照實驗步驟連接好電路，按照要求內(nèi)容進行實驗記錄本次實驗的所有運行結(jié)果，故障現(xiàn)象及排除過程在要求實驗的基礎(chǔ)上試解決思考題的問題記錄本次實驗的收獲和想法實驗步驟、觀察與思考：（一）幾條機器指令對應的參考微程序流程圖如下NOPNOP00指令譯碼A+B->R0RO->BNOPR0->OUTIN->R0RO->AP<1>0130ADDINHLTOUT30323533350101040501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(xiàn)象，應關(guān)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(lián)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(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SD05——SD00給出微地址，IN單元給出低8位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低8位。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為‘加1’檔。IN單元給出中8位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，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位應寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高8位。重復①、②、③、④四步，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(guān)KK1置為‘停止’檔，KK3置為‘校驗’檔，KK4置為‘控存’檔，KK5置為‘置數(shù)’檔。使用CON單元的SD05——SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M7——M0顯示該單元的低8位。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為‘加1’檔。連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M15——M8顯示該單元的中8位，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M23——M16顯示該單元的高8位。重復①、②、③、④四步，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(lián)機讀寫將微程序?qū)懭胛募?lián)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：$MXXXXXXXX 十六進制地址微指令微指令代碼十六進制地址微指令微指令代碼標志標志如$M1F112233，表示微指令的地址為1FH，微指令值為11H（高）、22H（中）、33H（低），本次實驗的微程序如下，其中分號‘；’為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉。寫入微程序用聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】—【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實驗系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸出區(qū)的‘結(jié)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。校驗微程序選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】—【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應地址單元的數(shù)據(jù)是否和表3-2-2中的十六進制數(shù)據(jù)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(lián)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(qū)的‘微存’TAB按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?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 //；// //；//***************************************************//；//***********StartOfMicroControllerData**********//$M00000001;NOP$M01007070;CON(INS)->IR,P<1>$M04002405;R0->B$M0504B201;A加B->R0$M30001404;R0->A$M32183001;IN->R0$M33280401;R0->OUT$M35000035;NOP;//**********EndOfMicroControllerData*********//3.運行微程序運行時也分兩種情況：本機運行和聯(lián)機運行。1)本機運行將時序與操作臺單元的開關(guān)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(guān)KK2置為‘單拍’檔，然后按動ST按鈕，體會系統(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，當前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應的控制信號；T3、T4節(jié)拍根據(jù)T2節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號做出相應的執(zhí)行動作，如果測試位有效，還要根據(jù)機器指令及當前微地址寄存器中的內(nèi)容進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應的微地址入口，實現(xiàn)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(guān)KK2置為‘單步’檔。置IN單元數(shù)據(jù)為00100011，按動ST按鈕，當MC單元后續(xù)微地址顯示為000001時，在CON單元的SD27…SD20模擬給出IN指令00100000并繼續(xù)單步執(zhí)行，當MC單元后續(xù)微地址顯示為000001時，說明當前指令已執(zhí)行完；在CON單元的SD27…SD20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中的數(shù)據(jù)和其自身相加后送R0；接下來在CON單元的SD27…SD20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，觀查OUT單元的顯示值是否為01000110。2)聯(lián)機運行聯(lián)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(shù)據(jù)通路圖，也可以通過工具欄上的下拉框打開數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖3-2-8所示。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為‘運行’檔，按動CON單元的總清開關(guān)后，按動軟件中單節(jié)拍按鈕，當后續(xù)微地址（通路圖中的MAR）為000001時，置CON單元SD27…SD20，產(chǎn)生相應的機器指令，該指令將會在下個T3被打入指令寄存器（IR），在后面的節(jié)拍中將執(zhí)行這條機器指令。仔細觀察每條機器指令的執(zhí)行過程，體會后續(xù)微地址被強置轉(zhuǎn)換的過程，這是計算機識別和執(zhí)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(zhí)行過程。按本機運行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運算結(jié)果是否正確。4.思考題解答對于思考題還需要運用到前面的靜態(tài)存儲器的知識，需要將實驗系統(tǒng)上的控制單元的（IOW/IOR）位置與存儲器上對應的（IOW/IOR）位置連上。然后編寫聯(lián)機文件如下：；//***************************************************//；// //；// 指令文件 //；// //；//***************************************************//；//***********StartOfMicroControllerData**********//$M00000001;NOP$M01007070;CON(INS)->IR,P<1>$M38081001;IO->AR$M36200401;Ro->M$M37103001 ;M->Ro$M04002405;R0->B$M0504B201;A加B->R0$M30001404;R0->A$M32183001;IN->R0$M33280401;R0->OUT$M35000035;NOP;//**********EndOfMicroControllerData*********//結(jié)論：第一個實驗輸入：R000100011（23）理論輸出：R001000110（46）實際輸出：R001000110（46）思考題實驗輸入：R000100011（23）MEN00000011（3）理論輸出：R000100011+00000011=00100110（26）實際輸出：R000100110（26）實驗心得：本次實驗是計算機組成原理的第三次實驗，相比于前兩次來說難度稍微大一些，而