实验4微程序控制器实验

首先说明一下，我这部分的实验结果、思考和分析都是自己搜了搜资料自己写的，不能保证正确性，如果哪里有问题还望大家多多指正

电路图：

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提取码：2333
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报告：

实验4微程序控制器实验
4.1实验目的
（1）掌握微程序控制器的组成原理和工作过程。
（2）理解微指令和微程序的概念，理解微指令与指令的区别和联系。
（3）掌握指令操作码与控制存储器中微程序的对应方法，熟悉根据指令操作码从控制存储器中读出微程序的过程。
4.2实验要求
（1）做好实验预习，读懂实验电路图，熟悉实验元器件的功能特性和使用方法。
（2）按照实验内容与步骤的要求，独立思考，认真仔细地完成实验。
（3）写出实验报告。
4.3实验原理
图4.1为实验电路图，其中3片EPROM2716构成控制存储器，1片74LS175为微地址寄存器，与74LS175数据输入引脚相连的输入信号线及6个门电路构成了地址转移逻辑。注意，2716输出信号中带后“#”的信号为低电平有效信号，不带后缀“#”的信号为高电平有效信号。为简化电路结构，本实验没有使用微命令寄存器，并且在虚拟实验系统中，将3片EPROM组合为一个虚拟EPROM组件。本实验使用的EPROM和时序发生器一样，均为虚拟实验系统提供的虚拟组件。

图4.1微程序控制器电路
实验电路中涉及的主要控制信号如下：
（1）：2716芯片的片选信号。为0时2716正常工作，实验中将其接地，恒置为0。
（2）：2716读信号。=0，=0时为读操作，实验中将其接地，恒置为0。
（3）：芯片74LS175的清零信号，低电平有效。
（4）T1：微地址加载信号，在T1的上升沿将微地址锁存到74LS175。
（5）IR5~IR7：指令操作码的输入信号，这几条信号线本应与指令寄存器的输出引脚相连，但在本实验中，与数据开关相连，指令操作码通过数据开关手动设置。
（6）：PC的置数信号，为0时PC工作在置数模式，可在此模式下为PC设置初值。
（7）LDR0：R0的数据载入信号，为1时将数据存入R0。
（8）LDIR：IR的加载信号，为1时将指令锁存到IR。
（9）LDPC：PC的加载信号，为1时执行清零、置数或计数操作。
（10）：PC输出三态门使能信号，为0时将PC的值输出到总线。
（11）：R0芯片的输出控制信号，为0时将R0中的数据输出到总线。
在存储逻辑型计算机中，一条机器指令对应了一个微程序，不同的机器指令对应了不同
的微程序，执行一条指令其实就是运行其对应的一个微程序，微程序由微指令组成，是微指令的有序集合。微程序是在设计一台计算机时就预先设计好并且固化在只读存储器中的，以后每当要执行某条指令时，只需找到并运行其对应的微程序。
控制存储器专门用于存放微程序，在本实验中，控制存储器由3片EPROM2716组成，为了减少连线的复杂度，虚拟实验系统把三片EPROM2716集成到一片芯片上，因此，本实验所用到的是EPROM2716×3(2K×24位)，其中地址输入引脚为A10_{A0，实验中仅用到A3}A0，高7位地线A4_{A10接地，实际存储容量为16×3字节。Q0}Q23这24个输出引脚与24位的微指令相对应。
微指格式如表4-1所示，采用全水平型，字长24位，其中操作控制字段19位，全部采
用直接表示法，不使用译码器，每一位表示一个微命令，用于发出全机的操作控制信号：顺序控制字段5位，包括后续微地址μA3~μA0和判别位P1，用于决定下一条微指令的地址。

地址转移逻辑电路用于产生下一条微指令的地址，主要由两级与门、或门构成。地址转移逻需要用到的数据信号有：后续微地址μA3_{μA0、判别位P1、指令操作码IR7}IR5。当判别位P1=0时，下一条微指的地址即为后续微地址μA3_{μA0；当判别位P1=1时，下一条微指令的地址由指令操作码IR7}IR5决定，一般是将操作码进行简单变换，把变换后的值作为下一条微指令的地址，此地址就是该操作码对应的微程序的入口地址。
微地址寄存器74LS175为控制存储器提供微指令地址，当=0时，微地址寄存器清零，从控制存储器00H地址开始执行微程序，地址转移逻辑生成下一条微指令的地址。此后，每当T1上升沿到来时，新的微指令地址会打入微地址寄存器，控制存储器随即输出这条微指令，地址转移逻辑继而生成下一条微指令的地址。如果时序信号连续发生，微指令也会按一定的顺序接连输出。
为了教学简单明了，本实验仅用到四条机器指令：IN(输入)、ADD(加法)、STA(存数)、JMP(无条件转移)，操作码分别为000、001、010、011，指令格式如表4-1所示。

上述四条指的微程序流程设计如图4.2所示，其中一个方框就对应一条微指令，方框右
上角的数字为八进制表示的微地址。一个方框也表示一个CPU周期，执行一条微指令需要一个CPU周期。四条指令对应四个微程序，每个微程序包括N条微指令，需要执行N个CPU周期。
图4.2中的每条微指令都按照表4-1的格式编写了二进制代码,并预存在控制存储器芯片 EPROM22716×3中。其中部分微指令二进制代码如表4-3所示，注意：微地址用八进制表示。

图4.2 微程序流程图
4.4实验内容与步骤
1.运行虚拟实验系统，按照图4.1绘制实验电路，生成如图4.3所示电路。
2.电路预设置：将EPROM2716芯片、、A4、A5引脚置0，微地址寄存器74LS175的置0，时序发生器的Step置1。
3.打开电源。此时由于=0，微地址寄存器清零，给出微程序入口地址00H，控制存储器随之输出第00号微指令。
4.将设置为1，否则微地址寄存器会一直处于清零状态。
5.将IR7~IR5均设置为0，思考并回答问题：若此时连续不断地发出时序信号，微程序的执行流程是怎样的？请按顺序写出前10条微指令的地址。

图4.3 控制器虚拟实验电路
6.连续单击Start按钮，观察微指令的输出顺序，检验控制存储器输出的微指令是否与表4-3中的相符，验证上一步预测的顺序是否正确。
7.设置IR7~IR5的不同组合，用单步方式分别读出ADD、STA和JMP三条指令的微程序，用后续微地址和判别指示灯跟踪微程序执行及转移情况，将表4-3中缺少的微程序代码补充完整。
8.思考并回答问题：若不改变控制器实验电路，IN、ADD、STA和JMP四条指令的微程序在控制存储器中的存放位置是否可以随意安排？有什么限制？为什么？
4.5实验结果
本实验需要记录的结果是回答4.4节实验内容与步骤中，第5、7、8步提出的问题：
5.若此时连续不断地发出时序信号，微程序的执行流程是怎样的？
答：此时连续不断地发出时序信号，由于IR7~IR5的选择始终为000，所以在选择机器指令的时候始终都是IN，运行结束后会回到02地址处的指令重新开始，如此循环。
前十条微指令的地址为（八进制）
00->01->02->03->10->02->03->10->02->03
7. 将表4-3补充完整。
8. 若不改变控制器实验电路，IN、ADD、STA和JMP四条指令的微程序在控制存储器中的存放位置是否可以随意安排？有什么限制？为什么？
答：一系列微指令的有序集合称为微程序。四条指令各自代表的微程序的存放位置必须为顺序结果，即代表的一系列微指令有序集合在必须控制存储器中为顺序存储。由于控制存储器是只读存储器，所以在不改变实验电路的情况下，微程序在控制存储器中的存放位置是固定的，不能随意安排。微程序是由微指令组成的，用于描述机器指令，微程序实际上是机器指令的实时解释器，是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的，一般不提供给用户。
4.6思考与分析
1.微程序控制器主要由哪些部件组成？各部件的功能是什么？
微型计算机硬件一般由微处理器、内存储器、外存储器、系统总线、接口电路、输入/输出设备等部件组成。
主要组成部件的功能和特点分析如下：
(1)微处理器：是微型计算机的核心部件，由运算单元ALU、控制单元、寄存器组以及总线接口部件等组成，其功能是负责统一协调、管理和控制系统中的各个部件有机地工作。
(2)内存储器：用来存放计算机工作过程中需要的操作数据和程序。可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。RAM存放当前参与运行的各种程序和数据，特点是信息可读可写，存取方便，但信息断电后会丢失；ROM用于存放各种固定的程序和数据，特点是信息固定不变，关机后原存储的信息不会丢失。
(3)系统总线：是CPU与其它部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。可分成数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB。
(4)输入/输出接口电路：完成微型计算机与外部设备之间的信息交换。由寄存器组、专用存储器和控制电路等组成。
(5)主机板：由CPU插座、芯片组、内存插槽、系统BIOS、CMOS、总线扩展槽、串行/并行接口、各种跳线和一些辅助电路等硬件组成。
(6)外存储器：使用最多的是磁盘存储器(软盘、硬盘)和光盘存储器。外存储器容量大，保存的信息不会丢失。
(7)输入/输入设备：是微型计算机系统与外部进行通信联系的主要装置。常用的有键盘、鼠标、显示器、打印机和扫描仪等。

2.本实验中，地址转移逻辑电路是怎样利用判别测试字段（P字段）实现微程序分支的？
当微程序出现分支时，需要通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，进而修改微地址寄存器的内容，此任务由地址转移逻辑完成。测试字段P相当于一个开关，只有当P为1的时候状态信息才能够通过线路影响到下一个指令的地址，否则状态信息经过与门后都会变为0，无法起作用。

3.如果把微程序控制器看作一个黑盒子，那么它的输入信号有哪些？这些信号是哪些部件提供给它的？它的输出信号有哪些？这些信号是发送给哪些部件的？
输入信号是微程序的地址，信号是由IR和PSW提供的。输出信号是微命令，这些信号发给存储器和运算器。