1、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
2、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.THUNION 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THUNION 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 CI3SCC 控制
3、.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 (CI30=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： 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组位的控制码 II、II、II，用于选择结果处置方案、运算功能、数据来源。组共位控制信号控制配合的两片 GAL20V83 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
4、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 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 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。 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
5、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
6、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 1
7、6 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、
8、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
9、，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，可查看指令的功能、格式、执行、流程设计的是否正确。四实验要求1实验之前，应认真准备，写出实验步骤和具体设计内容，否则实验效率会特别低，一次实验时间根本无法完成实验任务，即使基本做对了，也很难说学懂了些什么重要教学内容；2应在实验前掌握所有控制信号的作用，在脱机运算器实验中，已给出了与运算器有关的控制信号的作
10、用，16 位机组合逻辑控制器用到的控制信号的功能表参见TH-union 计原 16 教学计算机技术说明和实验指导第三章。3实验过程中，应认真进行实验操作，既不要因为粗心造成短路等事故而损坏设备，又要仔细思考实验有关内容，提高学习的主动性和创造性，把自己想不太明白的问题通过实验理解清楚，争取最好的实验效果，力求达到教学实验的主要目的；4实验之后，应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤和具体实验结果，遇到的主要问题和分析与解决问题的思路。大家应该认识到，遇到一些问题是好事情，通过分析与解决这些问题，才提高了自己的工作能力，学习到更多的知识。还未理解清楚，但实验结果正确了就匆忙结束实验，并没有达
11、到教学实验的目的。实验报告中，还应写出自己的学习心得和切身体会，也可以对教学实验提出新的建议等。实验报告要交给教师评阅并给出实验成绩。五实验内容和具体步骤：学习和检查已有指令的运行功能和执行步骤，当 5 位的功能开关处于 11110 状态时，教学机的指令将通过 16 位的数据开关手拨方式送入，并且每按一次“START”按键，只执行指令的一个步骤，有足够的时间察看计算机内部的信息和控制信号的状态。1 接通教学机电源；2 将教学机左下方的 5 个拨动开关置为 11110（单步、手拨指令、组合、联机、16位） ；3 按一下“RESET”按键；4 通过 16 位的数据开关 SWH、SWL 置入 16
12、位的指令操作码；5 在手拨方式下，通过指示灯观察各类基本指令的节拍。1） 选择基本指令的 A 组指令中的 ADD 指令，观察其执行流程：置数据开关 SW=00000000 00000001；（是 ADD R0，R1 指令）按 RESET 按键；节拍指示灯 T4T0 显示（ ） ；(本节拍的功能与 ADD 指令无关，用于 总清教学计算机系统)按 START 按键；T3T0 显示 （ ） ；（ARPC，PCPC+1） ；按 START 按键；T4T0 显示 （ ） ；(读内存，IR读出指令)；按 START 按键；T4T0 显示 （ ） ；( R0R0+R1 操作),指令结束；再按 START 按
13、键，将返回到第步，开始下一条指令的执行过过程；可以看到，属于 A 组的全部指令（包括ADD、SUB、CMP、AND、XOR、SHR、SHL、INC、DEC、TEST、OR、MVRR、JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ）都是经过（ ）个节拍来完成的。 （ ）公共节拍（编码为0000、0010）完成读取指令，每条指令还要用（ ）节拍（ 0011）完成自己特定的运算、处理功能。2） 选择 B 组指令中的 LDRR 指令，完成 DRSR功能，观察其执行流程置数据开关 SW=10000001 DRSR ；（LDRR DRSR 指令）按 RESET 按键，T4T0 显示（ ） ；(总清教学计算机系统
14、)按 START 按键，T4T0 显示 （ ） ；（ARPC，PCPC+1）按 START 按键，T4T0 显示（ ） ；(读内存，IR读出指令)按 START 按键，T4T0 显示（ ） ；（执行 LDRR 指令的第一步：送内存地址，即ARDR）按 START 按键，T4T0 显示 （ ） ；（执行 LDRR 指令的第二步：读、写内存或读、写外设 DRDATA）可以看到，B 组的全部指令（包括JMPA、LDRR、IN、STRR、PSHF、PUSH、OUT、POP、MVRD、POP、RET）都是经过（ ）个节拍来完成的。 （ ）公共节拍（编码：0000 和 0010）完成读取指令，每条指令还要
15、用（ ）节拍（0110、0100）分别完成传送存储器或 I/O 接口的地址，以及完成存储器或 I/O 接口的读写操作。同样的操作步骤，也可以查看基本指令集合中的子程序调用指令(CALA)的 6 个执行步骤，在 0000、0010 这 2 个节拍完成取指，在 0110、0100 这 2 个节拍完成读出指令的第 2 个字并暂存，在 0111、0101 这 2 个节拍完成把 PC 的值写入堆栈，并把暂存的子程序地址送 PC。6单步方式下，通过指示灯观察各类基本指令的执行步骤、实现功能、用到的控制信号选择基本指令 A 组指令中的 ADD 指令置拨动开关 SW=00001011 00010000；（指令
16、 ADD)先按“RESET”按键；再连续按“START”按键，观察每一步的节拍及控制信号如下表：节拍 指令操作码 MRW A B SSHSCII8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC21000 100 0101 0101 001 011 001 001 000 000 1110000 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 0110010公共节拍001 0000 0000 000 001 000 000 000 000 0010011 00000000 100 0000 0001 000 011 000 001 001 000 000选择基本指令的
17、 B 组指令中的 LDRR 指令，观察其执行过程中控制信号的变化，分析其作用。置拨动开关 SW=10000001 DRSR；(指令 LDRR)先按“RESET”按键；再连续按“START”按键，观察每一步的节拍及控制信号如下表：节拍 编码 MRW A B SSHSCII8-6 I5-3 I2-0SST DC1 DC21000 100 0101 0101 001 011 001 001 000 000 1110000 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 0110010公共节拍001 0000 0000 000 001 000 000 000 000 001
18、0110 10000001 100 SR 0000 000 001 000 100 000 000 0110100 10000001 001 0000 DR 000 011 000 111 000 000 0007. 在连机情况下，用 A 命令从 PCEC 出输入程序，运行后，将开关拨到单步观察指令的执行步骤、和用到的控制信号。此处一 LDRR 指令为例，简单介绍如下：用 E 命令从 2000 地址输入如下数据： 2000：0036用 A 命令从 2001 地址开始建立如下程序；2001: MVRD R2，2000 ；把 2000 地址的内容送到 R2 的低位2003: LDRR R0，R2
19、；将 R2 地址的内容到送到 R0 的低位2004：OUT 80 ；在屏幕上输出显示字符62005: JR 2000 ；无条件跳转到 20002006：RET ；每个用户程序都必须用 RET 指令结束2007： ；按回车键即结束输入过程运行后，将功能开关最左边一个拨到单步（上） ，假如说从 2001 这个地址停下来，从指示灯处观察指令的控制信号和数据等等，表中公共节拍 0000、0010 只出现了一次，如下表所示。节拍 地址 指令 数据 MRW A B SSHSCII8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC21000 100 0101 0101 001 011 001 001 000
20、000 1110000 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 0110010 001 0000 0000 000 001 000 000 000 000 0010110 2001 0000 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 0110100 2002MVRD2000 001 0000 0010 000 011 000 111 000 000 0000110 2003 0000 100 0010 0000 000 001 000 100 000 000 0110100 2000LDRR0036 001 0000 000
21、0 000 011 000 111 111 000 0000110 2004 0000 100 0000 0000 000 001 000 111 000 010 0110100 0080OUT0036 010 0000 0000 000 001 000 100 000 001 0000011 2005 JR 0000 100 0101 0101 000 011 000 101 000 010 0000011 2000 E 数据 0000 100 0110 0011 000 011 000 001 001 000 0008. 在以上几步实验的基础上，设计一，二条已有指令（可以直接设计教学计算机
22、中已经拥有的指令，完成后和教学计算机中已经存在的指令进行对比） 。在手拨方式下，通过指示灯观察各类扩展指令的节拍，已 ADD 和 LDRR 指令为例。1) 选择 A 组指令中的 ADD 指令，观察其节拍流程：置拨动开关 SW=00000000 DRSR；（指令 ADD）按 RESET 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 1000；(本拍在第 1 次复位后才会执行)按 START 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0000；(以上两拍为公共节拍，在手动置指令方式下无意义)按 START 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0010；（公共节拍将指令编码写入IRH、IRL）按 START 按键；节拍指
23、示灯 T4T0 显示 0011；（完成循环加操作，ADD DR，SR）可以看到，A 组指令（包括 ADD、SUB、AND 等）除公共节拍外，只需一步完成。节拍 指令操作码 MRW A B SSHSCII8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC20011 00000000 100 0000 0001 000 011 000 001 001 000 0002) 选择指令的 B 组指令中的 LDRR 指令，观察其节拍流程：置拨动开关 SW=10000001 DRSR；（指令 LDRR）按 RESET 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 1000；(本拍在第 1 次复位后才会执行)按 START
24、 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0000；(以上两拍为公共节拍，在手动置指令方式下无意义)按 START 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0010；（公共节拍，将指令编码写入指令寄存器 IRH、IRL）按 START 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0110；(PCAR，PC+1PC)按 START 按键；节拍指示灯 T4T0 显示 0100；（MEMDR）可以看到，B 组指令（包括 JMPA、IN、STRR 等）除公共节拍外，需两步完成。节拍 编码 MRW A B SSHSCII8-6 I5-3 I2-0SST DC1 DC20110 10000001 100 SR 0000 000
25、 001 000 100 000 000 0110100 10000001 001 0000 DR 000 011 000 111 000 000 000六.实验要求与实验报告内容实验之前认真预习，明确实验的目的和具体实验内容，设计好自己所设计的控制器的控制信号，做好实验之前的必要准备。想好实验的操作步骤，明确可以通过实验学习到哪些知识，想一想怎么样有意识地提高教学实验的真正效果；在教学实验过程中，要爱护教学实验设备和用到的辅助仪表，记录实验步骤中的数据和运算结果，仔细分析遇到的现象与问题，找出解决问题的办法，有意识地提高自己创新思维能力。实验之后认真写出实验报告，重点在于预习时准备的内容，实验数据，实验结果的分析讨论，实验过程、遇到的现象和解决问题的办法，自己的收获体会，对改进教学实验安排的建议等。指导教师签字： 年 月 日
