计组实验报告6.docx
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计组实验报告6
《计算机组成原理》实验报告
实验名称微程序控制单元实验、指令部件模块实验,时序与启停实验
实验七微程序控制单元实验
一、实验目的
⒈掌握时序产生器的组成方式。
⒉熟悉微程序控制器的原理。
⒊掌握微程序编制及微指令格式。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目,熟悉微程序的编制、写入、观察运行状态。
三、实验原理
1.微程序控制电路
微程序控制器的组成见图7-1,其中控制存储器采用4片6116静态存储器,微命令寄存器32位,用三片8D触发器(273)和一片4D(175)触发器组成。
微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D触发器(74)组成,它们带有清零端和置位端。
在不判别测试的情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。
当T4时刻进行测试判别时,转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过置位端将某一触发器输出端置为“1”状态,完成地址修改。
2.微指令格式
表7-1-1
M25
M24
M23
M22
M21
中断
M19
M18
M17
M16
M15
M14
M13
M12
M11
M10
M9
M8
C
B
A
AR
保留位
PX3
A9
A8
CE
LOAD
CN
M
S0
S1
S2
S3
PX2
LDAR
M7
M6
M5
M4
M3
M2
8
7
6
5
4
3
M1
M0
LDPC
LDIR
LDDR2
LDDR1
LDR0
WE
UA0
UA1
UA2
UA3
UA4
UA5
PX1
SW-B
A字段B字段
C
B
A
选择
0
0
0
禁止
0
0
1
PC-B
0
1
0
ALU-B
0
1
1
299-B
1
0
0
R0-B
1
0
1
R1-B
1
1
0
R2-B
1
1
1
保留位
中断
M9
M1
选择
测试字
PX3
PX2
PX1
0
0
0
关闭测试
0
0
1
P
(1)
识别操作码
0
1
0
P
(2)
判寻址方式
0
1
1
P(Z)
Z标志测试
1
0
0
P(I)
中断响应
1
0
1
P(D)
中断服务
1
1
0
P(C)
C标志测试
1
1
1
保留位
图7-1-2
其中UA5~UA0为6位的后续微地址,A、B二译码字段,分别由6个控制位译码输出多位。
B段中的PX3、PX2、PX1三个测试字位,其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行
3.图7-1-2为几条机器指令对应的参考微程序流程图,将全部微程序指令格式变成二进制代码,可得到模型机
(一)所列举的8位指令代码。
图7-1-3
四、实验内容
(一)微程序的编写
为了解决微程序的编写,本装置设有微程序读写命令键,可根据微地址和微指令格式将微指令代码以快捷方式写入到微程序控制单元。
具体的操作方法是按动位于本实验装置右中侧的复位按钮使系统进入初始待令状态。
再按动【增址】命令键使工作方式提示位显示“H”。
微程序存贮器读写的状态标志是:
显示器上显示8个数字,左边1、2位显示实验装置的当前状态,左边3、4位显示区域号(区域的分配见表7-1-4),左边5、6位数字是微存贮单元地址,硬件定义的微地址线是ua0~ua5共6根,因此它的可寻址范围为00H~3FH;右边2位数字是该单元的微程序,光标在第7位与第8位之间,表示等待修改单元内容。
图7-1-4
表7-1-5
区域号
微程序区对应位空间
对应位控制功能
0
31··············24
C
B
A
AR
保留
PX3
A9
A8
1
23··············16
CE
AD
CN
M
S0
S1
S2
S3
2
15···············8
PX2
AR
PC
IR
DR2
DR1
Ri
WE
3
7················0
U0
U1
U2
U3
U4
U5
PX1
SW
用【读】命令键可以对微程序存贮器进行读出或写入。
对微程序存贮器读写,一般应先按MON,使实验系统进入初始待命状态。
然后输入所要访问的微程序区域地址,再按【读】命令键,实验系统便以该区域的00H作为起始地址,进入微程序存贮器读写状态。
下面举例说明操作规程:
按键
8位LED显示
说 明
【返回】
D
Y
-
H
P.
返回初始待命状态
0
D
Y
-
H
0
按数字键0,从0区域0地址开始
【读】
C
N
0
0
0
0
X
X
按【读】命令键,进入微程序读状态,左边第3位
起显示00(区域号)、00(微地址)、XX(该微程序单元的内容),光标闪动移至第7位
55
C
N
0
0
0
0
5
5
按55键,将内容写入00区域00H单元
【增址】
C
N
0
0
0
1
X
X
按【增址】命令键,读出00区域下一个单元
01H,光标重新移至第7位
AA
C
N
0
0
0
1
A
A
按AA键,将内容写入00区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P.
返回初始待命状态
1
D
Y
-
H
1
再按数字键1,从1区域0地址开始
【读】
C
N
0
1
0
0
X
X
按【读】命令键,进入微程序读状态,左边第3位
起显示01(区域号)、00(微地址)、XX(该微程序单元的内容),光标闪动移至第7位
55
C
N
0
1
0
0
5
5
按55键,将内容写入01区域00H单元
【增址】
C
N
0
1
0
1
X
X
按【增址】命令键,读出01区域下一个单元
01H,光标重新移至第7位
AA
C
N
0
1
0
1
A
A
按AA键,将内容写入01区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P.
按【返回】退出存储操作返回初始状态
按以上所说明的操作规程,通过键盘在微地址00H单元所对应的四个区域地址分别输入55H,在微地址01H单元所对应的四个区域地址分别输入AAH。
按照实验的进一步要求,我们又进行了如下实验,流程如下:
按键
8位LED显示
说 明
【返回】
D
Y
-
H
P.
返回初始待命状态
2
D
Y
-
H
2
按数字键2,从2区域0地址开始
【读】
C
N
0
0
0
0
X
X
按【读】命令键,进入微程序读状态,左边第3位
起显示02(区域号)、00(微地址)、XX(该微程序单元的内容),光标闪动移至第7位
55H
C
N
0
2
0
0
5
5
按55H键,将内容写入02区域00H单元
【增址】
C
N
0
2
0
1
X
X
按【增址】命令键,读出02区域下一个单元
01H,光标重新移至第7位
AA
C
N
0
2
0
1
A
A
按AA键,将内容写入02区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P.
按【返回】退出存储操作返回初始状态
3
D
Y
-
H
3
按数字键3,从3区域0地址开始
【读】
C
N
0
3
0
0
X
X
按【读】命令键,进入微程序读状态,左边第3位
起显示03(区域号)、00(微地址)、XX(该微程序单元的内容),光标闪动移至第7位
55
C
N
0
3
0
0
5
5
按55H键,将内容写入03区域00H单元
【增址】
C
N
0
3
0
1
X
X
按【增址】命令键,读出03区域下一个单元
01H,光标重新移至第7位
AA
C
N
0
3
0
1
A
A
按AA键,将内容写入03区域01H单元
【返回】
D
Y
-
H
P.
按【返回】退出存储操作返回初始状态
表7-1-6
结果分析:
微程序存贮器读写的状态标志如图7-1-4,显示器上显示8个数字:
左边1、2位实验时分别显示DY和CN,显示实验装置的当前状态;
左边3、4位显示区域号(区域的分配见表7-1-5),实验时分别显示00,01,02,03。
左边5、6位数字是微存贮单元地址,按照实验要求分别在00,01,02,03四个区域中的00和01单元中写入数据,硬件定义的微地址线是ua0~ua5共6根,它的可寻址范围为00H~3FH,所以实验时也可以将数据分别写入02,03,04,05直到3E,3F单元止;
右边2位数字是该单元的微程序,光标在第7位与第8位之间,表示等待修改单元内容。
实验过程中,分别在7,8位存入55H和AAH;
实验结果抽取出来LED8位的显示:
C
N
0
0
0
0
5
5
C
N
0
0
0
1
A
A
C
N
0
1
0
0
5
5
C
N
0
1
0
1
A
A
C
N
0
2
0
0
5
5
C
N
0
2
0
1
A
A
C
N
0
3
0
0
5
5
C
N
0
3
0
1
A
A
(二)手动方式下的微地址打入操作
微程序控制器的微命令寄存器32位,用三片8D触发器(273)和一片4D(175)触发器组成。
它们的清零端由CLR来控制微控制器的清零。
它们的触发端CK接T2,在时序节拍的T2时刻将微程序的内容打入微控制寄存器(含下一条微指令地址)。
(1)微地址控制原理
图7-1-7
(2)微地址控制单元的实验连
实验连线示意图7-1-8
按上图所示,连接实验电路:
①总线接口连接:
用8芯扁平线连接图7-1-8中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接:
用双头实验导线连接图2-7-5中所有标明“
”或“
”图案的插孔(注:
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接)
(3)微地址的打入操作
在“L”状态下,首先置SW-B=0,然后向数据开关置数,再按【单步】键,在机器周期的T2时刻把数据开关的内容打入微地址锁存器。
实验步骤如下:
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
结果分析:
经过上述步骤,微地址单元ua5~ua0显示结果为000010(“1”代表灯亮,“0”代表灯灭),数据总线为10H。
SW-B=0,由T2时刻的单步脉冲,数据开关将数据传入到微地址单元中。
(4)微地址的修改与转移
按图7-3所示,微地址锁存器的置位端R受SE5~SE0控制,当测试信号SE5~SE0输出负脉冲时,通过锁存器置位端R将某一锁存器的输出端强行置“1”,实现微地址的修改与转移。
对指令译码寄存器IR分别打入微控制流程定义的操作码20H、40H、60H、80H、0A0H,然后打入流程图定义的基地址08H,按【单步】键,在机器周期T4节拍按微控制流程对IR指令寄存器的内容进行测试和判别,使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
操作如下:
①当IR寄存器为20H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为09H。
②当IR寄存器为40H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0AH。
③当IR寄存器为60H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0BH。
④当IR寄存器为80H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0CH。
⑤当IR寄存器为0A0H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0DH。
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
结果分析:
(1)数据总线、指令寄存器显示为20。
数据总线、微地址灯显示为001000
数据总线显示09,微地址单元显示为,001001。
(2)数据总线、指令寄存器显示为40。
。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0A,微地址单元显示为,001010。
(3)数据总线、指令寄存器显示为60。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0B,微地址单元显示为,001011。
(4)数据总线、指令寄存器显示为80。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0C,微地址单元显示为,001100。
(5)数据总线、指令寄存器显示为0A0。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0D,微地址单元显示为,001101。
根据图7-1-3和实验步骤①:
①SW-B=1,CE=0,CBA=0,LDIR=1(打开指令寄存器IR)通过缓冲输入开关将操作码20H置于IR内,完成取指令操作,数据总线、指令寄存器显示为20H;②通过缓冲输入开关,输入微地址08H,关闭LDIR和SW-B并按给予脉冲,此时,微地址为08H的单元,令P
(1)=1,按【单步】,即识别操作码操作,读出操作码为20H;③最后寻找操作码20H所代表的IN操作,并显示出操作码IN对应的入口地址09H。
其余四步的原理也是一样的。
五、实验总结
(1)通过这个实验,了解了时序产生器的组成方式,熟悉了微程序控制器的原理,掌握了微程序编制及微指令格式。
(2)在微程序的编写实验中,进入微程序存贮器的读写状态时,发现第一个【返回】和【读】两个按键不能同时进行,只需一个即可,否则接下来的8位显示器就会变成
C
N
0
0
0
0
X
X
直接跳过了数字键0。
(3)发现在实验时对实验原理的理解模糊,浅薄,课后通过参照笔记对书本的仔细阅读,有了一点深入的理解和体会。
实验八 指令部件模块实验
一、实验目的
⒈掌握时序产生器的组成方式。
⒉熟悉指令产生的原理。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目,完成将数据打入IR寄存器,数据打入PC指针式寄存器,PC指针自动加1。
三、指令部件模块的构成
(1)如图8-1-1所示,2片74LS163作为8位PC程序计数器的8位输入/输出公用端用8芯扁平线与BUS总线接口相连接。
图8-1-1
2片74LS163组成了PC程序计数器,它有LDPC、LOAD信号,脉冲T3来控制PC指针的装载和加1操作。
在“L”状态下,由8位置数开关装入起始地址,当LOAD=1、LDPC=1时,按【单步】命令键,在T3上升沿把数据开关的内容装入PC。
当CBA=001、LOAD=0、LDPC=1、LDAR=1时,按【单步】命令键,在单周期四节拍时序的T2时刻打开PC-B三态门,在T3时刻PC值通过总线打入地址寄存器、同时PC值加1。
(2)如图8-1-2所示,1片74LS273作为指令寄存器单元,其8位输入端与BUS总线之间实验装置已作连接,其输出端用一8芯扁平线与SE5~SE0接口连接。
指令数据寄存器IR(74LS273)的LDIR为电平正跳变时,把来自数据总线的数据打入寄存器IR,IR的输出就作为本系统内的8位指令I7~I0。
在本系统内由这8位指令(可最多译码256条不同的指令),通过编码可对应这些指令在微程序存储器中的入口地址,并且输出相应的微控制指令。
图8-1-2
(3)1片74LS74用来实现多种条件的跳转指令(JZ、JC等跳转指令)。
图8-1-3 CY、零标志锁存原理图
74LS74芯片是双D触发器,其中一组是锁存进位位CY标志,另一组是锁存零标志(Z)可通过AR来控制JC和JZ建立,以实现条件跳转的指令。
(4)1片74LS74用来实现开中断、关中断、中断服务。
图8-1-4
74LS74芯片是双D触发器,其中一组锁存开中断标志,另一组锁存中断服务标志,通过LOAD来控制EA、ED的建立,以实现中断响应与中断服务。
四、实验连接
按上图所示,连接实验电路:
①总线接口连接:
用8芯扁平线连接图8-1-5中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接:
用双头实验导线连接图7-8-5中所有标明“
”或“
”图案的插孔(注:
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接)
五、实验内容
在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键,使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”,表示本装置已进入手动单元实验状态。
(一)程序计数器(PC值)的置数、输出与加1
(1)PC值的写入
拨动二进制数据开关向程序计数单元置数(置数灯亮表示它所对应的数据位为“1”、反之为零)。
具体操作步骤图示如下:
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
结果分析:
结果:
数据总线显示02H,PC指针显示02H。
如图8-1-1所示,SW-B=1;LOAD=1时,PC才会置入数值;LDPC=1时,有脉冲;分别通过数据缓冲输入00000010、两个4位的PC(163)即两个4D触发器,使得将数据开关的数据输入到两个4位组合成的8位程序计数单元得到00000010送至数据总线。
(2)PC值的读出
关闭数据输入三态(SW-B=0)、CE保持为0、LOAD=0、LDPC=0、CBA=001时,按【单步】键,打开PC-B缓冲输出门,数据总线单元应显示00000010;
结果分析:
结果:
数据总线显示02H,PC指针显示02H。
此时,SW-B=0,CE=0,LOAD=0,LDPC=0,关闭了输入通路,CBA=001,打开了PC-B缓冲输出门,将三态门(245)打开连通,数据总线和PC指针的读出值为02H。
(3)PC值送地址寄存器并加1
在保持PC值读出的开关状态下,置LDAR=1、LDPC=1,【单步】,在T3节拍把当前数据总线的内容(即PC)打入地址锁存器,地址总线单元的显示器应显示02H,在T3节拍的上升沿PC计数器加1,PC单元的显示器应显示03H。
结果分析:
结果:
程序指针PC单元显示03H;
LDAR=1,开启地址寄存器单元,LDPC=1,开启程序计数单元,【单步】,将数据总线的02H打入地址寄存器,地址总线单元显示02H,此时在T3节拍的上升沿PC计数器加1,PC单元的显示器应显示03H,PC指向下一个地址,此时地址总线、数据总线显示也为03H。
(二)指令码的打入与散转
按实验七图7-2微程序流程所示的微控制流程,对指令译码寄存器IR分别打入微控制流程定义的操作码20H、40H、60H、80H、0A0H,然后根据流程图定义的基地址08H置入数据开关,按【单步】键,在机器周期的T2节拍把基地址08H打入微地址锁存器,在机器周期T4节拍按微控制流程对IR指令寄存器的内容进行测试和判别,使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
举例操作如下:
①当IR寄存器为20H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为09H。
②当IR寄存器为40H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0AH。
③当IR寄存器为60H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0BH。
④当IR寄存器为80H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0CH。
⑤当IR寄存器为0A0H、微地址为08H时,按【单步】键后微地址为0DH。
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
结果分析:
(1)数据总线、指令寄存器显示为20。
数据总线、微地址灯显示为001000
数据总线显示09,微地址单元显示为,001001。
(2)数据总线、指令寄存器显示为40。
。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0A,微地址单元显示为,001010。
(3)数据总线、指令寄存器显示为60。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0B,微地址单元显示为,001011。
(4)数据总线、指令寄存器显示为80。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0C,微地址单元显示为,001100。
(5)数据总线、指令寄存器显示为0A0。
数据总线、微地址灯显示为001000。
数据总线显示0D,微地址单元显示为,001101。
以
(1)为例子:
①SW-B=1,CE=0,CBA=0,LDIR=1,打开指令寄存器IR,通过数据开关将操作码20H置于IR内,就完成取指令操作,数据总线、指令寄存器显示为20H;②通过数据缓冲输入开关,输入微地址08H,LDIR=0、SW-B=0,此时机器跳转到微地址为08H的微地址单元,要进行判断的过程,令P
(1)=1,识别操作码操作,读出操作码为20H;③最后寻找操作码20所代表的IN操作,并显示出IN对应的微地址09H。
其余四步的原理一样。
六实验总结:
(1)通过实验八,熟悉了指令产生的原理,了解了时序产生器的组成方式。
(2)更牢记了PC的跳转加1,总是指向下一条将要执行的指令的地址。
实验九时序与启停实验
一、实验目的
1.掌握时序电路的原理。
2.熟悉启停电路的原理
二、实验要求
通过时序电路的启动,了解以单步、连续方式运行时序电路的过程,观察T1、T2、T3、T4各点的时序波形。
三、实验原理及内容
图9-1-1
(一)时序启停
实验所用的时序与启停电路原理如图9-1-1所示,其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。
可产生4个等间隔的时序信号T1~T4,其中“时钟”信号由“
脉冲源”提供。
为了便于控制程序的运行,时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR,使T1~T4信号输出可控。
图9-1中启停电路由1/2片74LS74、74LS00及1个二输入与门构成。
“运行方式”和“停机”控制位分别由管理CPU(89C52)的两个PI/O口控制。
按动【连续】命令键时管理CPU令“运行方式”位为“0”,运行触发器CR一直处于“1”状态,因此时序信号T1~T4将周而复始地发送出去。
当按动【单步】命令键时管理CPU令“运行方式”位为“1”,机器便处于单步运行状态,仅发送单周期4拍制时序信号。
单步方式运行,每次只执行一条微指令,可以观察微控制状态与当前微指令的执行结果。
另外当模型机以连续方式运行时,如果按动【宏单】命令键,管理CPU令停机控制位为“1”,也会使机器停止运行。
(二)观察时序波形
图9-1-2
利用本实验系统的虚拟PC示波器可观察T1、T2、T3、T4的时序图。
具体方法是:
⑴在联机状态下选择菜单栏中“设置/参数设置”命令,在打开的设置窗口中点击“手动方式(单元实验)”再点击“确认”退出设置操作。
⑵
- 配套讲稿:
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