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类型计算机组成与设计实验讲义.doc

  • 上传人:dreamzhangning
  • 文档编号:2739343
  • 上传时间:2018-09-26
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    1、计算机组成与设计实 验 指 导 书姜立秋 肖大薇 夏越 编著2012 年 10 月前 言2计算机组成与设计课程主要讲述计算机系统各部件的组成以及设计原理,包括 CPU组成、ALU 运算器原理、存储器与控制器原理等,最终达到从系统的、整机的角度,完整的、准确的理解和掌握计算机系统的理论和原理的目的,为计算机专业技术的学习打下良好的基础。计算机组成与设计是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。本课程实践性强,因此,该实验课程必须有相应的实践开发平台支持,这里选用的是 EL-JY-计算机组成原理实验系统。该系统是一个 16 位的计算机模型实验系统,简单实用,且运算器、数据通路、控制器、控制台各部分划

    2、分清晰。通过实验旨在提高学生的实践能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的深入理解、提高学生对计算机系统的综合分析与设计能力、增强学生理论联系实际的能力、增强学生的工程观念和创新意识,从而培养高素质的应用型人才。本课程主要讲授内容如下: 运算器实验 存储器读写实验 总线控制实验 微程序设计实验 简单模型机组成原理实验 复杂模型机组成原理实验1计算机组成原理实验系统介绍EL-JY-型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理课的教学实验而研制的,涵盖了目前流行教材的主要内容,能完成主要的基本部件实验和整机实验,可供大学本科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习计算机组成原理 、 微机原理和计算机

    3、组成和结构等课程提供基本的实验条件,同时也可供计算机其它课程的教学和培训使用。1、系统组成本系统由两大部分组成:A、基板:本部分是 8 位机和 16 位机的公共部分,包括以下几个部分:1)数据输入和输出电路2)显示及监控电路3)脉冲源及时序电路4)数据和地址总线5)8255 扩展实验电路6)单片机控制电路和键盘操作部分7)与 PC 机通讯的接口电路8)主存储器电路9)微代码输入及显示电路10)电源电路11)CPLD 实验板(选件)12)自由实验区(面包板)B、CPU 板:本 CPU 板为 16 位机,其数据总线为 16 位,地址总线为 8 位,包括以下几个部分:1) 运算器电路2) 微程序控制

    4、器电路3) 寄存器堆电路4) 程序计数器电路5) 指令寄存器电路6) 指令译码电路7) 地址寄存器电路8) 数据和控制总线电路其中,运算器电路中的累加器电路由 74LS181 及其外围电路组成,此外所有的其它电路都由ALTERA 公司的 FPGA EP1K10 实现。板上的 JTAG 口、芯片 EPC2LC20、跳线 J1J6 用于配置EP1K10。当跳线 J1J6 均跳至 EPC2 OFF 时,可通过 JTAG 口直接配置 EP1K10,但断电后需重新配置。当跳线 J1J6 均跳至 EPC2 ON 时,通过 EPC2LC20 来配置 EP1K10。系统出厂时,已将配置2文件烧录进 EPC2L

    5、C20。由于 EPC2LC20 为非易失性器件,故每次上电时可自动配置 EP1K10,无需重新烧录。C、底板使用说明:底板的系统布局如下图所示:1) 控制开关电路用于开关方式下各种控制信号的输入,每个开关对应一个 LED 指示灯。当 LED点亮时,表示相对应的开关输出为高电平,反之则为低电平。2) 键盘及监控显示灯用于键盘方式下的实验,其用法见各实验说明(注:当开关 K4 为“ON ”时 键盘被封锁) 。3) 24 位微代码输入及显示电路用于读写微程序,其原理如下图所示(仅以 MD17-MD24 为例,MD1-MD16 电路与此相同) 。3当 K4 为“OFF” (VCC)时,24 位开关无效

    6、,24 个数码管的显示由 2816 的数据口决定,用于键盘方式读写微代码和开关方式读微代码。当 K4 为“ON” (GND )时,24 位开关有效,24个数码管显示每一位开关的状态(“0”或“1” ) ,用于开关方式写微代码。4) 脉冲源及时序电路用于开关方式下产生时序信号;F、F/2、F/4 、F/8 分别为固定时钟频率输出端,其频率分别为 1M、500K、250K 、125K 。Fin 为时钟输入,可接至 F、F/2、F/4 、F/8 中的任何一个输出;按下“单脉冲”键时,T+、T- 端分别产生一个正脉冲、一个负脉冲;按下“单步”键时,T1、T2、T3 、T4 端依次产生一个正脉冲,用于程

    7、序的单步运行;按下“启动”键时,T1、T2、T3 、T4 端依次产生连续的正脉冲,用于程序的全速运行;按下“停止”键时,T1、T2 、T3 、 T4 端不产生脉冲,用于中止程序运行。5) 16 位数据输入电路如下图所示:DIJ2 为高 8 位数据, DIJ1 为低 8 数据,当 DIJG 为低电平时,DIJ2、DIJ1 输出 16 位开关量数据,否则为高阻态。416 位输出显示电路由四个数码管和四片可编程逻辑芯片 GAL16V8 组成。GAL16V8 为显示提供译码和驱动,当 W/R、D-G 均为低电平时,将 D15D0 的数据送至数码管显示。6) I/O 控制电路由一片 74LS139 构成

    8、,用于为外部器件提供选通信号。其原理和逻辑关系如下图所示:输 入 输 出1A 1B Y0 Y1 Y2 Y30 0 0 1 1 11 0 1 0 1 10 1 1 1 0 11 1 1 1 1 07) 显示灯电路:该电路有四个绿色 LED 指示灯。当输入为高电平时,点亮相应位置的 LED 灯。8) 主存储器电路其原理如下图所示:59) 8255 接口电路的数据、地址、控制线和 PA 口以及 PB 口的第四位均通过单排插针引出。底板上的数据总线 BD15BD0(三组接口相同,可互换)和 CPU 板上的数据线相连,地址总线AD7AD0(三组接口相同,可互换)和 CPU 板上的地址线相连。2、参考内容

    9、1运算器实验2存储器读写实验3总线控制实验4微程序设计实验5简单模型机组成原理实验6复杂模型机组成原理实验6实验一 运算器实验一、实验目的1掌握运算器的组成及工作原理;2了解 4 位函数发生器 74LS181 的组合功能,熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程;3验证带进位控制的 74LS181 的功能。二、预习要求1复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理;2预习实验步骤,了解实验中要求的注意之处。三、实验设备EL-JY-II 型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。四、电路组成本模块由算术逻辑单元 ALU 74LS181(U7 、U8、U9、U10) 、暂存器74LS27

    10、3(U3、U4、U5、U6 ) 、三态门 74LS244(U11 、 U12)和控制电路(集成于 EP1K10 内部)等组成。电路图见图 1-1(a)、1-1(b)。7图 1-1(a)ALU 电路图 1-1( b)ALU 控制电路算术逻辑单元 ALU 是由四片 74LS181 构成。74LS181 的功能控制条件由 S3、S2 、S1、S0、 M、Cn决定。高电平方式的 74LS181 的管脚分配、输出端功能符号和功能详见图 1-2(a)、图 1-2(b)和表 1-1。 8图 1-2(a) 74LS181 管脚分配 图 1-2(b) 74LS181 输出端功能符号74LS181 功能表见表 1

    11、1,其中符号 “”表示逻辑“或”运算,符号“*”表示逻辑“与”运算,符号“/”表示逻辑“非”运算,符号“加”表示算术加运算,符号“减”表示算术减运算。表 1-1 74LS181 功能表 选择 M=0 算术操作S3 S2 S1 S0M=1 逻辑操作 Cn=1(无进位) Cn=0(有进位)0 0 0 0 F=/A F=A F=A 加 10 0 0 1 F=/(A+B) F=A+B F=(A+B)加 10 0 1 0 F=/A*B F=A+/B F=(A+/B)加 10 0 1 1 F=0 F=1 F=00 1 0 0 F=/(A*B) F=A 加 A*/B F=A 加 A*/B 加 10 1 0

    12、1 F=/B F=(A+B)加 A*/B F=(A+B) 加 A*/B 加 1 0 1 1 0 F=(/A*B+A*/B) F=A 减 B 减 1 F=A 减 B0 1 1 1 F=A*/B F=A*/B 减 1 F=A*/B1 0 0 0 F=/A+B F=A 加 A*B F=A 加 A *B 加 1 1 0 0 1 F=/(/A*B+A*/B) F=A 加 B F=A 加 B 加 1 1 0 1 0 F=B F=(A+/B)加 A*B F=(A+/B)加 A*B 加 11 0 1 1 F=A*B F=A*B 减 1 F=A*B 1 1 0 0 F=1 F=A 加 A F=A 加 A 加 1

    13、1 1 0 1 F=A+/B F=(A+B)加 A F=(A+B)加 A 加 1 1 1 1 0 F=A+B F=(A+/B)加 A F=(A+/B)加 A 加 11 1 1 1 F=A F=A 减 1 F=A四片 74LS273 构成两个 16 位数据暂存器,运算器的输出采用 三态门 74LS244。它们的管脚分配和引出端功能符号详见图 1-3( a) 、图 1-3(b)和图 1-4(a)和图 1-4(b) 。9图 1-3(a) 74LS273 管脚分配 图 1-3(b)74LS273 功能表图 1-4(a) 74LS244 管脚分配 图 1-4(b) 74LS244 功能五、工作原理运算器

    14、的结构见图 1-5:10算术逻辑单元 ALU 是运算器的核心。集成电路 74LS181 是 4 位运算器,四片 74LS181 以并串形式构成 16 位运算器。它可以对两个 16 位二进制数进行多种算术或逻辑运算,74LS181 有高电平和低电平两种工作方式,高电平方式采用原码输入输出,低电平方式采用反码输入输出,这里采用高电平方式。三态门 74LS244 作为输出缓冲器由 ALU-G 信号控制,ALU-G 为“0”时,三态门开通,此时其输出等于其输入;ALU-G 为“1”时,三态门关闭,此时其输出呈高阻。四片 74LS273 作为两个 16 数据暂存器,其控制信号分别为 LDR1 和 LDR

    15、2,当 LDR1 和 LDR2 为高电平有效时,在 T4 脉冲的前沿,总线上的数据被送入暂存器保存。 六、实验内容验证 74LS181 运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。七、实验步骤单片机键盘操作方式实验注:在进行单片机键盘控制实验时,必须把开关 K4 置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。1、实验连线(键盘实验)实验连线如图 1-6 所示。(连线时应按如下方法:对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。注意:F4 只用一个排线插头孔)运算器接口S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR211

    16、图 1-6 键盘实验连线图 2、实验过程(1) 拨动清零开关 CLR,使其指示灯灭。再拨动 CLR,使其指示灯亮。(2) 在监控滚动显示【CLASS SELECt】时按【实验选择】键,显示【ES-_ _ 】输入 01 或 1,按【确认】键,监控显示为【ES01】 ,表示准备进入实验一程序,也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。(3) 再按【确认】键,进入实验一程序,监控显示【InSt-】 ,提示输入运算指令,输入两位十六进制数(参考表 12 和表 11) ,选择执行哪种运算操作,按【确认】键。(4) 监控显示【Lo=0】 ,此处 Lo 相当于表 11 中的 M,默认为“0” ,进行算术运

    17、算,也可以输入“1”,进行逻辑运算。按【确认】 ,显示【Cn=0】,默认为“0” ,由表 11 可见,此时进行带进位运算,也可输入“1” ,不带进位运算(注:如前面选择为逻辑运算,则 Cn 不起作用) 。按【确认】 ,显示【Ar=1】 ,使用默认值“1” ,关闭进位输出。也可输入“0” ,打开进位输出,按【确认】 。(5) 监控显示【DATA】 ,提示输入第一个数据,输入十六进制数【1234H】 ,按【确认】 ,显示【DATA 】 ,提示输入第二个数据,输入十六进制数【5678H】 ,按【确认】键,监控显示【FINISH】 ,表示运算结束,可从数据总线显示灯观察运算结果,CY 指示灯显示进位输

    18、出的结果。按【确认】后监控显示【ES01】 ,可执行下一运算操作。表 1-2 运算指令关系对照表运算指令( S3 S2 S1 S0) 输入数据(十六进制)0 0 0 0 00 或 00 0 0 1 01 或 10 0 1 0 02 或 20 0 1 1 03 或 30 1 0 0 04 或 40 1 0 1 05 或 50 1 1 0 06 或 60 1 1 1 07 或 71 0 0 0 08 或 81 0 0 1 09 或 91 0 1 0 0A 或 A1 0 1 1 0B 或 BC1 .C6 E5 E4 F5 E3 控制总线F4 T4121 1 0 0 0C 或 C1 1 0 1 0D

    19、或 D1 1 1 0 0E 或 E1 1 1 1 0F 或 F在给定 LT1=1234H、LT2=5678H 的情况下,改变运算器的功能设置,观察运算器的输出,填入表 1-3 中,并和理论值进行比较和验证: 表 1-3 练习表M=0(算术运算) M=1(逻辑运算) LT1LT2 S3S2S1S0 Cn=1(无进位) Cn= 0(有进位)1234H5678H00 或 0 F= F= F=01 或 1 F= F= F=02 或 2 F= F= F=03 或 3 F= F= F=04 或 4 F= F= F=05 或 5 F= F= F=06 或 6 F= F= F=07 或 7 F= F= F=0

    20、8 或 8 F= F= F=09 或 9 F= F= F=0A 或 A F= F= F=0B 或 B F= F= F=1234H 5678H 0C 或 C F=2468 F=2469 F= FFFF0D 或 D F=68B0 F=68B1 F=BBB70E 或 E F=CDEB F=CDEC F=567C0F 或 F F=1233 F=1234 F=1234实验二 存储器读写实验 一、实验目的1掌握半导体静态随机存储器 RAM 的特性和使用方法。2掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。3了解运算器和存储器如何协同工作。二、预习要求预习半导体静态随机存储器 6116 的功能 。三、实验设备EL-

    21、JY-II 型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。四、电路组成13电路图见图 2-1,6116 的管脚分配和功能见图 2-2(a) 、2-2(b):图 2-1 存储器电路图 2-2(a) 6116 管脚分配 图 2-2(b ) 6116 功能 五、工作原理实验中的静态存储器由 2 片 6116(2K 8)构成,其数据线 D0D15 接到数据总线,地址线 A0A7由地址锁存器 74LS273(集成于 EP1K10 内)给出。黄色地址显示灯 A7-A0 与地址总线相连,显示地址总线的内容。绿色数据显示灯与数据总线相连,显示数据总线的内容。因地址寄存器为 8 位,接入 6116 的地址 A7-A0

    22、,而高三位 A8-A10 接地,所以其实际容量为28256 字节。6116 有三个控制线,/CE(片选) 、/R(读) 、/W(写) 。其写时间与 T3 脉冲宽度一致。当 LARI 为高时,T3 的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。当 WEI 为高时,T3 的上升沿使 6116 进入写状态。六、实验内容学习静态 RAM 的存储方式,往 RAM 的任意地址里存放数据,然后读出并检查结果是否正确。14注:6116 为静态随机存储器,如果掉电,所存的数据全部丢失!七、实验步骤单片机键盘操作方式实验注:在进行单片机键盘控制实验时,必须把 K4 开关置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进

    23、行实验。1. 实验连线实验连线图如图 2-3 所示。连线时应按如下方法:对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。(注意:F3 只用一个排线插头孔)MDJ2MDJ1 MAJ1CEWE AD7AD0BD15BD8BD7BD0 WEILARIWRF3T3E4 E3E5数 据 总 线 主 存 储 器 电 路控 制 总 线 地 址 总 线微 控 器 接 口图 2-3 键盘实验接线图2写数据(1) 拨动清零开关 CLR,使其指示灯显示状态为亮 灭 亮。(2) 在监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】时按【实验选择 】键,显示【ES

    24、-_ _ 】输入 03 或 3,按【确认】键,监控指示灯显示为【ES03】 ,表示准备进入实验三程序,也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。再按【确认】键,进入实验三程序。(3) 监控指示灯显示为【CtL= - -】 ,输入 1,表示准备对 RAM 进行写数据,在输入过程中,可按【取消】键进行输入修改,按 【确认】键。(4) 监控指示灯显示【Addr- -】 ,提示输入 2 位 16 进制数地址,输入“00”按【确认】键,监控指示灯显示【dAtA】 ,提示输入写入存储器该地址的数据(4 位 16 进制数) ,输入“3344”按【确认】键,监控指示灯显示【PULSE】 ,提示输入单步,按【

    25、单步】键,完成对 RAM 一条数据的输入,数据总线显示灯(绿色)显示“0011001101000100” ,即数据“3344” ,地址显示灯显示“0000 0000”,即地址“00” 。(5) 监控指示灯重新显示【Addr- -】 ,提示输入第二条数据的 2 位十六进制的地址。重复上述步骤,按表 2-1 输入 RAM 地址及相应的数据。表 2-1 数据表15地址(十六进制) 数据(十六进制)00 333371 343442 35355A 5555A3 6666CF ABABF8 7777E6 9D9D3读数据及校验数据(1) 按【取消】键退出到监控指示灯显示为【ES03】 ,或按【RST 】退

    26、到步骤 2 初始状态进行实验选择。(2) 拨动清零开关 CLR,使其指示灯显示状态为亮 灭 亮。在监控指示灯显示【ES03 】状态下,按 【确认】键。(3) 监控指示灯显示为【CtL= - -】 ,输入 2,表示准备对 RAM 进行读数据,按【确认】键。(4) 监控指示灯显示【Addr- -】 ,提示输入 2 位 16 进制数地址,输入“00” ,按【确认】键,监控指示灯显示【PULSE】 ,提示输入单步,按【单步】键,完成对 RAM 一条数据的读出,数据总线显示灯(绿色)显示“0011001101000100” ,即数据“3344” ,地址显示灯显示“0000 0000”,即地址“00” 。

    27、(5) 监控指示灯重新显示【Addr- -】 ,重复上述步骤读出表 21 的所有数据,注意观察数据总线显示灯和地址显示灯之间的对应关系,检查读出的数据是否正确。注:6116 为静态随机存储器,如果掉电,所存的数据全部丢失!实验三 总线控制实验一、实验目的:1、 了解总线的概念及其特性。2、 掌握总线的传输控制特性。二、实验设备:EL-JY-II 型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。三、实验说明1、 总线的基本概念总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路,是构成计算机系统的骨架。借助总线连接,计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此,所谓总线就是指能为多个功能部16

    28、件服务的一组公用信息线。2、 实验原理说明在本实验中,挂接在数据总线上的有输入设备、输出设备、存储器和加法器。为了使它们的输出互不干扰,就需要这些设备都有三态输出控制,且任意两个输出控制信号不能同时有效。其结构如下图所示:图 3-1 总线结构图其中,数据输入电路和加法器电路结构见图 1-5,地址寄存器和存储器电路见图 2-1、2-3。数码管显示电路用可编程逻辑芯片 ATF16V8B 进行译码和驱动,D-G 为使能信号,W/R 为写信号。当 D-G 为低电平时,W/R 的下降沿将数据线上的数据打入显示缓冲区,并译码显示。本实验的流程为:(1)输入设备将一个数打入 LT1 寄存器。(2)输入设备将

    29、一个数打入 LT2 寄存器。(3)LT1 与 LT2 寄存器中的数相加。(4)输入设备将另一个数打入地址寄存器。(5)将两数之和写入当前地址的存储器中。(6)将当前地址的存储器中的数用数码管显示出来。四、实验连线本实验采用开关方式,连线见下图。 (连线时应按如下方法:对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上)17图 3-2 总线控制实验接线图五、实验步骤1、 按照上图所示将所有连线接好。2、 总线初始化。关闭所有三态门置控制开关 ALU_G=1(加法器控制信号),CA1=1(显示输出),CA2=1(数据输入),CE=1(存储器片

    30、选)。其它控制信号为LOAD=0,AR=0 ,LPC=0 , C=1,WE=1 ,A=1 ,B=1。3、 将 D15D0 拨至“0001001000110100” ,置 CA2=0,LOAD=1,然后置 LOAD=0,将“1234H ”打入 LT1 寄存器。4、 将 D15D0 拨至“0101011001111000” ,置 AR=1,然后置 AR=0,将“5678H”打入 LT2 寄存器。5、 将 S3S2S1S0MCN 拨至“100101” ,计算两数之和。6、 将 D7D0 拨至“00000001” ,置 LPC=1,然后置 LPC=0,将“01H”打入地址寄存器。7、 置 CA2=1,

    31、 ALU-G=0,WE=0,CE=0,将上述计算结果写入当前地址的存储器中。然后置CE=1,WE=1。8、 置 ALU-G=1,CE=0 ,CA1=0,C=0,将当前地址的存储器中的数输出至数码管,然后置C=1,CE=1,CA1=1。六、实验结果照以上 8 步操作完成后,输出显示电路 LED 上显示“68AC” 。18实验四 微程序设计实验一、实验目的深入掌握微程序控制器的工作原理,学会设计简单的微程序。二、预习要求1复习微程序控制器工作原理;2复习计算机微程序的有关知识。三、实验设备EL-JY-II 型计算机组成原理实验系统一台,连接线若干。四、微程序的设计 1微指令格式设计微指令编码格式的

    32、主要原则是使微指令字短、能表示可并行操作的微命令多、微程序编写方便。微指令的最基本成份是控制场,其次是下地址场。控制场反映了可以同时执行的微操作,下地址场指明下一条要执行的微指令在控存的地址。微指令的编码格式通常指控制场的编码格式,以下几种编码格式较普遍。1)最短编码格式这是最简单的垂直编码格式,其特点是每条微指令只定义一个微操作命令。采用此格式的微指令字短、容易编写、规整直观,但微程序长度长,访问控存取微指令次数增多从而使指令执行速度慢。2)全水平编码格式这种格式又称直接编码法,其特点是控制场每一位直接表示一种微操作命令。若控制场长 n 位,则至多可表示 n 个不同的微操作命令。采用此格式的

    33、微指令字长,但可实现多个允许的微操作并行执行,微程序长度短,指令执行速度快。3)分段编码格式是将控制场分成几段。若某段长 i 位,则经译码,该段可表示 2i 个互斥的即不能同时有效的微操作命令。采用这种格式的微指令长度较短,而可表示的微操作命令较多,但需译码器。 2微程序顺序控制方式的设计微程序顺序控制方式指在一条指令对应的微程序执行过程中,下一条微指令地址的确定方法,又叫后继地址生成方式。下面是常见的两种。1)计数增量方式这种方式的特点是微程序控制部件中的微地址中的微地址产生线路主要是微地址计数器MPC。MPC 的初值由微程序首址形成线路根据指令操作码编码形成。在微程序执行过程中该计数器增量

    34、计数,产生下一条微指令地址。这使得微指令格式中可以不设置“下地址场” 。缩短了微指令长度,也使微程序控制部件结构较简单。但微程序必须存放在控存若干连续单元中。2)断定方式19微指令中设有“下地址场” ,它指出下条微指令的地址,这使一条指令的微程序中的微指令在控存中不一定要连续存放。在微程序执行过程中,微程序控制部件中的微地址形成电路直接接受微指令下地址场信息来产生下条微指令地址,微程序的首址也由此微地址形成电路根据指令操作码产生。3本系统的微指令格式 微程序设计的关键技术之一是处理好每条微指令的下地址,以保证程序正确高效地进行。本系统采用分段编码的指令格式,采用断定方式确定下一条微指令的地址。

    35、微操作控制信号微指令微地址 状态条件指令操作码 图 4 -1 断定方式微程序控制部件示意图 每条微指令由 24 位组成,其控制位顺序如下:24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1S3 S2 S1 S0 M Cn WE 1A 1B F1 F2 F3 uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0微指令译码电路如下:微地址形成电路控存 CM控制场 下地址场微指令寄存器 MIR20图 4 - 2 微指令译码电路图中 MS24MS16 对应于微指令的第 2416 位,S3S2S1S0MCn 为运算器的方式控制,详见实验

    36、一和实验二;WE 为外部器件的读写信号, 1表示写, 0表示读;1A、1B 用于选通外部器件,通常接至底板 IO 控制电路的 1A1B 端,四个输出 Y0Y1Y2Y3 接外部器件的片选端。 (注:再实验六及以后的实验中,Y3 被系统占用,用于输入中断, Y0Y1Y2 仍能被用户使用)图 4 -2 中 MS15MS13 对应于微指令中的 F1,经锁存译码后产生 6 个输出信号:LRi、LDR1、LDR2、LDIR、LOAD、LAR。其中 LDR1、LDR2 为运算器的两个锁存控制(见实验一) ;LDIR 为指令寄存器的锁存控制(见系统介绍中指令寄存器电路) ;LRi 为寄存器堆的写控制,它与指令

    37、寄存器的第 0 位和第 1 位共同决定对哪个寄存器进行写操作;LOAD 为程序计数器的置数控制,LAR 为地址寄存器的锁存控制(见系统介绍中程序计数器和地址寄存器电路) 。以上 6 个输出信号均为1有效。图 4 -2 中 MS12MS10 对应于微指令中的 F2,经锁存译码后产生 6 个输出信号:RAG、 RBG、 RCG、299-G、 ALU-G、PC-G。其中 RAG、RBG、RCG 分别为寄存器 Ax、Bx、Cx 的输出控制(见系统介绍中寄存器堆电路) ;299-G 为移位寄存器的输出控制(见实验二) ;ALU-G 为运算器的输出控制(见实验一) ;PC-G 为程序计数器的输出控制(见系

    38、统介绍中程序计数器和地址寄存器电路) 。以上信号均为0有效。21图 4 -2 中 MS9MS9 对应于微指令中的 F3,经锁存译码后产生 6 个输出信号:P1、P2、P3、 P4、AR、LPC。其中 P1、P2、P3 、P4 位测试字,其功能是对机器指令进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支和循环运行;AR 为运算器的进位输出控制(见实验一) ;LPC 为程序计数器的时钟控制(见系统介绍中程序计数器电路) 。以上信号均为1有效。图 4 -3 指令译码器电路微指令中的 uA5-uA0 为 6 位的后续微地址。、三个字段的编码方案如表 4 -1: 表 4 -1F1 字段

    39、 F2 字段 F3 字段15 14 13 选择 12 11 10 选择 9 8 7 选择0 0 0 LDRi 0 0 0 RAG 0 0 0 P10 0 1 LOAD 0 0 1 ALU-G 0 0 1 AR0 1 0 LDR2 0 1 0 RCG 0 1 0 P30 1 1 自定义 0 1 1 自定义 0 1 1 自定义1 0 0 LDR1 1 0 0 RBG 1 0 0 P21 0 1 LAR 1 0 1 PC-G 1 0 1 LPC1 1 0 LDIR 1 1 0 299-G 1 1 0 P 41 1 1 无操作 1 1 1 无操作 1 1 1 无操作五、实验内容:编写几条可以连续运行的

    40、微代码,熟悉本实验系统的微代码设计方式。表 4 -2 为几条简单的可以连22续运行的二进制微代码表:注意 UA5-UA0 的编码规律,观察后续地址。表 4 -2 实验四微代码表微地址(二进制) S3 S2 S1 S0 M CN WE 1A 1B F1 F2 F3 UA5.UA0000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 000 000 000001000001 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 000 000 000010000010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 000 000 000011000011 0 0 0 0 0 0 0 1 0 101 111

    41、 111 000100000100 0 0 0 0 0 0 0 1 0 010 111 111 001000001000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 111 000 001001001001 0 0 0 0 0 0 0 1 1 101 101 101 010000010000 0 0 0 0 0 0 0 1 1 101 101 101 010101010101 0 0 0 0 0 1 1 0 1 111 001 111 011000011000 1 1 1 1 1 1 1 1 0 111 001 111 011001011001 0 0 0 0 0 0 0 1 0 111 11

    42、1 000 000000以下举例说明微代码的含义:1、 微地址“000011”:读 Y1 设备上的数据,并将该数据打入地址寄存器。然后跳转至微地址“000100”。2、 微地址“000100”:读 Y1 设备上的数据,并将该数据打入运算暂存器 2,然后跳转至微地址“001000”。3、 微地址“011000”:运算暂存器 1 数据输出至数据总线,将该数据写入 Y1 设备,然后跳转至微地址“011001” 。4、 微地址“011001”:读 Y1 设备上的数据,然后进行 P1 测试。由于未对指令寄存器操作,I7I0均为 0,强制置位无效,仍跳转至后续微地址“000000” 。六、实验步骤:、单片

    43、机键盘操作方式实验在进行单片机键盘控制实验时,必须把 K4 开关置于“OFF ”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。1.实验连线实验连线图如图 4 -4 所示。连线时应按如下方法:对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。23图 4 -4 键盘实验连线图2.写微代码(1) 将开关 K1K2K3K4 拨到写状态即 K1 off、K2 on、K3 off、K4 off,其中 K1、K2、K3 在微程序控制电路,K4 在 24 位微代码输入及显示电路上。在监控指示灯滚动显示 【CLASS SELECt】状态下按【实验选择】键,显

    44、示【ES-_ _ 】输入 05 或 5,按【确认 】键,显示为【ES05】 ,再按下【确认】键。(2) 监控显示为【CtL1=_】 ,表示对微代码进行操作。输入 1 显示【CtL1_1】 ,表示写微代码,按【确认】 。(3) 监控显示【U-Addr】 ,此时输入【000000】6 位二进制数表示的微地址,然后按【确认】键,监控指示灯显示【U_CodE】 ,这时输入微代码【000001】 ,该微代码是用 6 位十六进制数来表示前面的 24 位二进制数,注意输入微代码的顺序,先右后左,此过程中可按【取消】键来取消上一次输入,重新输入。按【确认】键则显示【PULSE】 ,按【单步】完成一条微代码的输

    45、入,重新显示【U-Addr】提示输入表4-3 第二条微代码地址。(4) 按照上面的方法输入表 4 -3 微代码,观察微代码与微地址显示灯的对应关系(注意输入微代码的顺序是由右至左) 。表 4 -3 实验四微代码表微地址(二进制) 微代码(十六进制)000000 000001000001 000002000010 000003000011 015FC4000100 012FC8001000 018E09001001 005B50010000 005B55010101 06F3D8011000 FF73D9011001 017E003.读微代码:(1) 先将开关 K1K2K3K4 拨到读状态即 K

    46、1 off、K2 off、K3 on、K4 off,按【RESET 】按钮对单片机复位,使监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态。(2) 按【实验选择】键,显示【ES-_ _ 】输入 05 或 5,按【确认】键,显示【ES05】 。按【确认】键。(3) 监控显示【CtL1=_】时,输入 2,按【确认】显示 【U_Addr】 ,此时输入 6 位二进制微地址,进入读微代码状态。再按【确认】显示【PULSE】 ,此时按【单步】键,监控显示【U_Addr 】 ,微地址24指示灯显示输入的微地址,微代码显示电路上显示该地址对应的微代码,至此完成一条微指令的读过程。对照表 4 -3 表检查微代

    47、码是否有错误,如有错误,可按步骤 2 写微代码重新输入这条微代码。4.微代码的运行:(1) 先将开关 K1K2K3K4 拨到运行状态即 K1 on、K2 off、K3 on、K4 off,按【RESET】按钮对单片机复位,使监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态。(2) 按【实验选择】键,显示【ES-_ _ 】输入 05 或 5,按【确认】键,显示【ES05】 。按【确认】键。(3) 监控指示灯显示【CtL1=_】 ,输入 3,显示【CtL1_3】 ,表示进入运行微代码状态,拨动 CLR 清零开关(在控制开关电路上,注意对应的 JUI 应短接)对程序计数器清零,清零结果是地址指示灯

    48、(A7A0)和微地址显示灯(uA5uA0)全灭,清零步骤是使其电平高低高即 CLR 指示灯状态为亮灭亮,使程序入口地址为 000000。1) 、单步运行在监控指示灯显示【CtL1_3】状态下,确认清零后,按【 确认】键,监控指示灯滚动显示【Run CodE】,此时可按【单步】键单步运行微代码,观察微地址显示灯,显示 “000001”,再按【单步】 ,显示为“000010” ,连续按【单步】 ,则可单步运行微代码,注意观察微地址显示灯和微代码的对应关系。2) 、全速运行在控指示灯滚动显示【Run CodE】状态下,按【全速】键,开始自动运行微代码,微地址显示灯显示从“000000”开始,到“000001” 、 “000010”、 “000011”、 “000100”、 “001000”、 “001001”、 “010000”、“010101”、 “011000”、 “011001”再到“000000” ,循环显示。25实验五 简单模型机组成原理实验一、实验目的1在掌握各部件功能的基础上,组成一个简单的计算机整机系统模型机;2了

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