计算机组成原理实验报告3 微程序控制器实验

实验三微程序控制器实验
一.实验目的与要求：
实验目的：
1.理解时序产生器的原理，了解时钟和时序信号的波形；
2.掌握微程序控制器的功能，组成知识；
3.掌握微指令格式和各字段功能；
4.掌握微程序的编制，写入，观察微程序的运行，学习基本指令的执行流程。

实验要求：
1.实验前，要求做好实验预习，并复习已经学过的控制信号的作用；
2.按练习一要求完成测量波形的操作，画出TS1,TS2,TS3,TS4的波形，并测出所用的脉冲
Ф周期。

按练习二的要求输入微指令的二进制代码表，并单步运行五条机器指令。

二.实验方案：
按实验图在实验仪上接好线后，仔细检查无误后可接通电源。

1.练习一：用联机软件的逻辑示波器观测时序信号，测量Ф，TS1,TS2,TS3,TS4信号的方法如下：
(1) TATE UNIT 中STOP开关置为“RUN”状态（向上拨），STEP开关置为“EXEC”状态（向上拨）。

(2) 将SWITCH UNIT 中右下角CLR开关置为“1”(向上拨）。

(3) 按动“START”按钮，即可产生连续脉冲。

（4）调试”菜单下的“显示逻辑示波器窗口，即可出现测量波形的画面。

（5）探头一端接实验仪左上角的CH1，另一端接STATE UNIT中的Ф插座，即可测出时钟Ф的波形。

（6）探头一端接实验仪左上角的CH2，另一端接STATE UNIT中的TS1插座，即可测出TS1
的波形；
（7）探头一端接实验仪左上角的CH1，另一端接STATE UNIT中的TS2插座，即可测出TS2的波形。

（8）将红色探头一端接实验仪左上角的CH1，另一端接STATE UNIT中的TS3插座，即可测出TS3的波形。

（9）将红色探头一端接实验仪左上角的CH1，另一端接STATE UNIT中的TS4插座，即可测出TS4的波形。

2.观察微程序控制器的工作原理：
①关掉实验仪电源，拔掉前面测时序信号的接线；
②编程写入E2PROM 2816
A.将编程开关（MJ20）置为PROM（编程）状态；
B.将实验板上STATE UNIT 中的STEP置为STEP状态，STOP置为RUN状态，SWITCH UNIT
中CLR开关置为1状态；
C.在右上角的SWITCH UNIT中UA5-UA0开关上置表中某个要写的微地址；
D.在MK24-MK1开关上置表中要写的微地址后面的24位微代码，24位开关对应24位
显示灯，开关置为1时灯亮，为0时灯灭；
E.启动时序电路，即将微代码写入到E2PROM 2816的相应地址对应的单元中；
F.重复C-E步骤，将表的每一行写入E2PROM 2816。

③校验
A.将编程开关置为READ（校验）状态；
B.保持STEP,STOP,CLR开关状态不变，将实验板上STATE UNIT 中的STEP置为STEP状态，
STOP置为RUN状态，SWITCH UNIT中CLR开关置为1状态；
C.在开关UA5-UA0上按表置好要读的某个微地址；
D.按动START键，启动时序电路，就能读出微代码，观察显示灯MD24-MD1的状态，检查
读出的微代码是否与已经写入的相同，若不同，将开关置于PROM编程状态，重新执行；
E.重复C-D步骤，将表的每一行从E2PROM 2816读出来。

练习二：步运行五条机器指令。

1、将编程开关置于“RUN”状态；
2、实验仪的“STEP”及”STOP”开关保持原状，即STEP置为“STEP”状态，STOP置
为”RUN”状态，“SWITCH UNIT”中CLR开关置为1状态；
3、实验仪的“SW-BUS”置为0，左下方开关D5-D0置为“111111”，D7和D6开关任意，（置
0或者1都可以）
4、将清零开关CLR从高拔到低，再从低拔到高，即将开关CLR置1→0→1，可以发现后续
微地址UA5-UA0灯变为000000，000000是微指令运行启始地址；
5、接着按动一下“START”键，UA5-UA0灯会变为010000，这是在读00（八进制）条微指
令，给出了下一条要读的微指令是10（八进制）；
6、在UA5-UA0灯变为010000时，可通过实验仪左下方开关D7-D0人为强置设置分支地址，
将D5-D0置“111111”→“111100”→“111111”，可以发现UA5-UA0灯从010000变为010011，这表示下一个要读的微指令从010000修改为了010011；
7、在UA5-UA0灯为010011时，也就是23（八进制）时，对微程序流程图，按动一下“START”
键，UA5-UA0灯会变为000001，也就是01（八进制），表示读出了23条微指令，给出了下一条要读的是01条微指令；
8、在UA5-UA0灯为000001时，按动一下START键，UA5-UA0灯会变为000010，表示读出
了01条微指令，下一条要读出的是02条微指令；
9、接着按动一下STRATOR键，读出02条微指令时，UA5-UA0灯显示为001000时，在当前
条件下，可通过强置端SE1-SE6相接的D5-D0人为强置修改分支地址；
10、执行完每个指令的最后一条微指令后，都会回到01微指令，这样才表示执行完了
一条指令，同时也表示可以执行新的指令了；
11、按照上述方法，把所有分支都执行一遍。

三.实验结果和数据处理：
测量并画出时钟和时序信号波形，比较它们的相互关系。

波形图：
CPU 周期
Φ
TS1
TS2
TS3
TS4
时钟Ф脉冲与TS1、TS2、TS3、TS4脉冲的波形，比较时钟Ф脉冲与TS1、TS2、TS3、TS4脉冲的相互关系：时钟Ф脉冲的一个CPU周期的时间，是TS1、TS2、TS3、TS4脉冲的时间之和，即节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。

四.实验结果分析：
分析ADD的每条微指令的指令格式和功能：
1）PC→AR;PC+1:①指令格式：
②功能：根据ABC字段发出的信号,WE=0，读取内存内容，将PC的内容送到地址寄存器中AR，程序计数器加1，做好取下一条机器指令的准备。

2）RAM→BUS;BUS→AR:①指令格式：
03000000001110000000000100
②功能：根据微地址03，RAM进行读操作，发出存数控制信号，把RAM的内容送到总线上，再送到地址寄存器AR中，程序计数器加1，做好取下一条机器指令的准备。

3）RAM→BUS,BUS→DR2:①指令格式：
微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8A B C UA5 …. UA0 04000000001011000000000101
②功能：根据微地址04，RAM进行读操作，发出LDDR2信号，把RAM的内容送到数据总线上，再送到DR2寄存器中，程序计数器加1，做好取下一条机器指令的准备。

4）R0→DR1:
①指令格式：
微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8A B C UA5 …. UA0 05000000011010001000000110
②功能：根据微地址05，发出RS-B信号，把寄存器R0中的内容送到DR1寄存器中，程序计数器加1，做好取下一条机器指令的准备。

5)DR1+DR2→R0: ①指令格式：
微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8A B C UA5 …. UA0 061001101000000001
②功能：根据微地址06，发出ALU-B信号，把DR1和DR2相加，结果放R0寄存器中，回到
01微指令。

五.写出掌握了的控制信号的作用：
WE控制信号的功能：WE是存储器RAM的写命令信号，WE=1时，RAM进行写操作，
WE=0时，RAM进行读操作。

当STEP开关为0时态，一旦按下启动键，运行触发器Cr一直处于1状态，因此时
序TS1-TS4将周而复始地发送出去；当STEP为1时，一旦按下启动键，机器便处
于单步运行状态，即此次只读一条指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执
行结果。

S3,S2,S1,S0,M,Cn控制信号共同起到选择ALU进行哪种运算。

LOAD是PC加1信号，P(1)-P(4)是四个测试判别信号，其功能是根据机器指令及
相应微代码进行译码，使微程序输入相应的微地址入口，从而实验微程序的顺序，分支，循环运行。

LDRi控制信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器.R0,R1及R2的选择
存入译码。

RS-B,RD-B,RI-B分别为源寄存器选通输出信号，目的寄存器选通输出信号及变址
寄存器选通输出信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0,R1,R2的
选通输出译码。

六.结论：
根据实验操作步骤，所得的实验结果与理论值一致。

七.问题与讨论：
练习二的实验里在执行ADD指令时，在分支处强置修改分支地址，并且以后每次
都强置修改，运行完以后，发现结果是错误的，检查步骤，与同学讨论，分析原
因，原来是当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给
出。

当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移，这时，可通过SE6-SE1
强制端去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容读出下一条微指令，然后继
续往下执行。

八.实验总结：
心得体会：通过该实验让我较好地掌握了微程序控制器的功能，组成知识，微指
令格式和各字段功能，微程序的编制，写入，观察微程序的运行，学习基本指令
的执行流程，遇到问题，可以通过实验，分析，讨论，请教老师解决问题，基本
达到学习的目的。

问题分析：在实验过程中遇到问题时，首先检查线路是否连接准确，然后再查看
步骤，有无漏做或做错的步骤，分析可能出错的原因，与同学讨论，若仍无法解
决，就请教老师，请指导老师查看指正。

九.思考题：
本次实验共设计了几条指令分别是什么指令
答：本次实验共设计了五条指令，分别是IN (输入)，ADD（二进制加法），STA（存数），OUT(输出)，JMP（无条件转移）。

S3,S2,S1,S0,M,Cn控制信号共同起到什么作用
答：S3,S2,S1,S0,M,Cn控制信号共同起到选择ALU进行哪种运算。

写出WE控制信号的功能。

答：WE控制信号的功能：WE是存储器RAM的写命令信号，WE=1时，RAM进行写操作，WE=0时，RAM进行读操作。

字段主要能译出什么信号分别写出来。

答： A字段中，主要是寄存器的打入信号，B字段中主要是寄存器的输出信号，C字段中，主要是测试信号。

UA5-UA0是当前微地址还是后继微地址
答：UA5-UA0是当前后继微地址。

06微指令功能是什么06微指令S3,S2,S1,的值为“100101”代表什么运算A字
段“001”和B字段“101”分别选中哪个控制信号，信号的功能分别是什么06
微指令中UA5-UA0中“000001”代表什么含义
答：06微指令功能是将DR1寄存器中的内容和DR2寄存器中的内容相加，结果放R0寄存器中；
06微指令S3,S2,S1,S0,M,Cn的值为“100101”代表A加B运算；
A字段“001”是选中LDRi控制信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器.R0,R1及R2的选择存入译码，而LDRi在本实验中即为LDR0,表示对寄存器R0的选
择存入；
B字段“101”选中ALU-B控制信号，ALU-B是输出三态门的控制端，控制运算器的运算结果是否送到数据总线BUS上；
06微指令中UA5-UA0中“000001”代表后续微地址01。