组合逻辑控制器部件实验

控制器部件是计算机的五大功能部件之一,其作用是向整机每个部件(包括控制器本身)提供协同运行的需要的控制信号.因而,控制器在计算机组成原理过程中是非常重要的内容,但学生在学习过程中,对其工作原理却常常感到难以理解.教师在讲述这一部分内容时,也常常觉得难以叙述清楚,通过本实验,轻而易举的解决了这一问题。

一．实验设备和运行环境

在组合程序控制器方式下，同样可以做汇编语言程序设计、主存储器扩展、I/O接口扩展和中断实验。这几项实验的操作步骤与在微逻辑控制器方式下的实验操作相同，用户也可参照后面给出的参考步骤。本节只给出组合逻辑控制器实验的操作步骤。

二.实验目的、原理、实验具体步骤和内容

2.1 实验原理控制器的设计实现有两种方式:一种是微程序,另一种是组合逻辑线路,微程序控制器的工作原理,是用一条微指令的控制命令字段来提供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号,用这条微指令的下地址字段,指明下一条微指令在控制器存储器中的地址,以便从控制器存储器中读出下一条微指令.换句话说,每一条微指令对应一条机器指令的一个执行步骤。

1、微指令格式

微指令由下地址字段及控制字段组成.TH—UNION教学机的微指令格式如下:

其中高八位为下地址字段.其余各位为控制字段.

1）址形成逻辑

TH—UNION 教学机利用器件形成下一条微指令在控制器存储器的地址.

下地址的形成由下地址字段及控制字段中的CI3—SCC控制.当为顺序执行时,下地址字段不起作用.下地址为当前微指令地址加1;当为转移指令(CI3—0=0011)时,由控制信号SCC提供转移条件,由下地址字段提供转移地址.

2）控制字段

控制字段用以向各部件发送控制信号,使各部件能协调工作。

控制字段中各控制信号有如下几类：

①对运算器部件为了完成数据运算和传送功能，微指令向其提供了24位的控制信号，包括：4位的A、B口地址，用于选择读写的通用积存器３组３位的控制码I８－I６、

I５－I３、I２－I６，用于选择结果处置方案、运算功能、数据来源。

３组共７位控制信号控制配合的两片GAL20V8

3位SST，用于控制记忆的状态标志位

2位SCI，用于控制产生运算器低位的进位输入信号

2位SSH，用于控制产生运算器最高，最地位（和积存器）移位输入信号

②对内存储器I/O和接口部件，控制器主要向它们提供读写操作用到的全部控制信号，共3位，即MRW

③对CPU内部总线数据来源的控制，主要通过3位编码标记为DCD，来选择把哪一组数据发送到内部总线（IB）上。

④对几个特定的积存器接受输入的控制，也通过了编码C标记为D（2），用来选择允许哪个积存器接受送个它的一组数据。

2.2实验目的：通过看懂教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如，ADD、

SHR、OUT、MVRD、JRC、RET、CALA等指令）的功能、格式和执行流程，然后自己设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。其最终要达到的目的是：

1．深入理解计算机控制器的功能、组成知识；

2．深入地学习计算机各类典型指令的执行流程；

3．对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立更具体的概念；

4．学习组合逻辑控制器的设计过程和相关技术。

2.3 实验说明

控制器组成和运行机制是学习计算机总体组成的重要部分，应该比较清楚地懂得：1．在计原16教学计算机中，组合逻辑控制器由程序计数器PC（运算器中的R5）、指令寄存器IR（用2片8位的寄存器实现）、节拍发生器Timing和控制信号形成线路（在CPLD器件MACH芯片中实现）4个主要部分组成；控制器中需要变化的主要功能线路集中到MACH芯片内部，用一个VHDL语言或者ABEL语言的程序代码描述，

因此，修改或者扩展指令的实验,主要表现为修改编辑这个程序源码，再经过编译

和下载操作即可完成，可以极大地提高实验效率。

2．在计原16教学计算机中，有29条基本指令已经实现，尚保留19条用于指令扩展实验，用监控程序的A命令能输入并汇编基本指令，对扩展指令虽然可以输入，但监控程序却不能识别，将作为非法指令处理。此时可以在包含有扩展指令的程序中为其预留下存储单元，之后用E命令输入扩展指令的二进制代码。通常情况下，T、P命令不适用于扩展指令；

3．应理解计原16教学机支持的指令格式及指令执行流程分组情况；通过听课、阅读教材和教学实验，看懂已经设计好并正常运行的各类指令的功能、格式和执行流程，也包括计算机总体组成，控制器为各功能部件提供的控制信号。

三．实验内容

1．完成控制器部件的教学实验，主要内容是由学生自己设计几条指令的的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

2．首先是看懂计原16教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如，ADD、SHR、OUT等指令）的功能、格式和执行流程。

3．设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。例如ADC、JRS、JRNS、LDRA、STOR、JMPR等指令，可以从《TH-union计原16机系统技术说明与实验指导》书中查找，也可以设计与实现其它的指令，包括原来已经实现的基本指令（要变换为另外一个指令操作码）或自己确定的指令。在原来提供的MACH 程序的基础上按照VHDL语言或ABEL语言的要求添加新指令的控制信号，编译产

生.JED文件并下载到MACH芯片里。软件的使用和下载参见《技术说明和实验指导》。

4．单条运行指令，查看指令的功能、格式和执行流程。

先将教学机左下方的5个拨动开关置为11110，再按一下“RESET”按键，然后通过16位的数据开关（SWH、SWL）置入指令，按“START”按键单步送脉冲，通过指示灯观察控制信号的变化。

5．用监控程序的A、E（扩展指令必须用E命令置入）命令编写一段小程序，观察运行结果。

实验时将教学机左下方的5个拨动开关置为00110，运行编写的小程序。观察终端显示的结果，检验设计的指令是否正确。若与预定结果不符，可查看指令的功