计算机组成原理第五章第4讲微程序控制器

计算机组成原理实验之微程序控制器实验一、实验目的1．掌握时序发生器的组成原理。

2．掌握微程序控制器的组成原理。

二、实验内容1．实验电路（1）时序发生器电路本实验所用的时序电路见图4.1。

电路由一个500KHz晶振、2片GAL22V10、一片74LS390组成，可产生两级等间隔时序信号T1-T4、W1-W3，其中一个W由一轮T1-T4组成，相当于一个微指令周期或硬连线控制器的一拍，而一轮W1-W3可以执行硬连线控制器的一条机器指令。

另外，供数字逻辑实验使用的时钟由MF经一片74LS390分频后产生。

图4.1 时序信号发生器（2）微程序控制器电路图4.2微程序控制器电路微地址转移逻辑表达式:A5＝D5＝μA5；A4＝D4＝C•P2+μA4；A3＝D3＝IR7•P1+μA3；A2＝D2＝IR6•P1+SWC•P0+μA2；A1＝D1＝IR5•P1+SWB•P0+μA1；A0＝D0＝IR4•P1+SWA•P0+μA0。

2．一些关键技术（1）微指令格式图4.3微指令格式（3）上述8条指令的微程序流程图如图4.4所示图4.4微程序流程图（4）微程序代码表表4-2微程序代码表微指令KT RRF WRF RRM WRM PR当前微地址00 0C 1E 06 07 0B 1D 0D 0E 0A 02 03 09 04 05 08 0F 下一微地址08 1E 06 07 1E 1D 0D 0E 1D 02 03 02 04 05 04 0F 10P0 1 . . . . . . . . . . . . . . . .P1 . . . . . . . . . . . . . . . . 1P2 . . . . . . . . . . . . . . . . .备用. . . . . . . . . . . . . . . . .TJ . 1 . . 1 1 . 1 1 . 1 . 1 . 1 . .LDIR . . . 1 . . . 1 . . . . . . . . 1PC+1 . . . . . . . . . . . . . . . . .LDPC# . 1 . . . 1 . . . . . . . . . 1AR+1 . . . . . . . . . . . 1 . . 1 . .LDAR# . 1 . . . 1 . . . 1 . . 1 . . . . LDDR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . LDDR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . LDRi . . . . . . . . 1 . . . . . . . .SW_BUS# . 1 1 . . 1 1 . 1 1 . . 1 1 . 1 . RS_BUS# . . . . 1 . . . . . . . . . . . . ALU_BUS# . . . . . . . . . . . . . . . . . RAM_BUS# . . . . . . . . . . 1 . . . . . . CER# . . . 1 . . . 1 . . . . . . . . 1 CEL# . . 1 . . . 1 . . . 1 . . 1 . . . LR/W# . . 0 . . . 0 . . . 1 . . 0 . . . Cn# . . . . . . . . . . . . . . . . .M . . . . . . . . . . . . . . . . .S0 . . . . . . . . . . . . . . . . .S1 . . . . . . . . . . . . . . . . .S2 . . . . . . . . . . . . . . . . .S3 . . . . . . . . . . . . . . . . .表4-2微程序代码表(续)微指令ADD SUB AND STA LDA JC STP OUT当前微地址10 18 11 19 12 1A 13 1B 14 1C 15 1F 16 17 下一微地址18 0F 19 0F 1A 0F 1B 0F 1C 0F 0F 0F 0F 0FP0 . . . . . . . . . . . . . .P1 . . . . . . . . . . . . . .P2 . . . . . . . . . . 1 . . .备用. . . . . . . . . . . . . .TJ . . . . . . . . . . . . 1 1LDIR . . . . . . . . . . . . . .PC+1 . 1 . 1 . 1 . 1 . 1 1 . 1 1LDPC# . . . . . . . . . . . 1 . .AR+1 . . . . . . . . . . . . . .LDAR# . . . . . 1 . 1 . . . . .LDDR1 1 . 1 . 1 . 1 . . . . . . .LDDR2 1 . 1 . 1 . . . . . . . . .LDRi . 1 . 1 . 1 . . . 1 . . . .SW_BUS# . . . . . . . . . . . . . .RS_BUS# . . . . . . 1 . 1 . . 1 . 1ALU_BUS# . 1 . 1 . 1 . 1 . . . . . .RAM_BUS# . . . . . . . . . 1 . . . .CER# . . . . . . . . . . . . . .CEL# . . . . . . . 1 . 1 . . . .LR/W# . . . . . . 0 . 1 . . . .Cn# . . . 1 . . . . . . . . . .M . 0 . 0 . 1 . 0 . . . . . .S0 . 1 . 0 . 1 . 0 . . . . . .S1 . 0 . 1 . 1 . 0 . . . . . .S2 . 0 . 1 . 0 . 0 . . . . . .S3 . 1 . 0 . 1 . 0 . . . . . .注：后缀为＃的信号都是低电平有效信号，为了在控存ROM中用“1”表示有效，这些信号在控制器中经过反相后送往数据通路。

计算机组成原理课程设计：中央处理器-微程序控制器设计摘要本文档介绍了一个针对计算机组成原理课程的设计项目，即中央处理器的微程序控制器设计。

在设计中央处理器的微程序控制器时，我们将考虑指令的执行、数据的处理以及控制信号等关键方面。

通过这个设计项目，学生将深入了解计算机系统的核心组件并掌握微程序控制器的设计方法。

引言计算机组成原理课程旨在帮助学生理解计算机硬件系统的基本原理和组成部分。

其中，中央处理器是计算机系统中最核心的部分之一。

微程序控制器是中央处理器的关键组件，它通过微指令序列控制着处理器的各个部件。

本设计项目旨在实践计算机组成原理的理论知识和设计方法，使学生能够了解中央处理器的内部结构和工作原理，并掌握微程序控制器的设计技术。

设计目标本次设计的目标是： 1. 使用合适的指令集设计一个完整的微程序控制器。

2. 实现基本的指令执行功能，包括算术逻辑单元(ALU)操作、内存读写、条件分支和跳转等。

3. 考虑控制信号与数据通路之间的兼容性和时序关系。

4. 考虑指令的效率和性能，实现合理的指令编码和微指令生成策略。

设计内容1. 指令集设计在设计微程序控制器时，首先需要确定适合该设计的指令集。

指令集应该包括基本的算术、逻辑、移位和控制指令，以及内存读写指令。

根据实际需求，可以添加其他合适的指令。

2. 微指令设计为了实现指令集中的每个指令，需要设计相应的微指令。

微指令是一系列控制信号的序列，用于控制中央处理器中各个部件的操作。

每个微指令应该包含控制信号、操作码、寄存器的选择和数据通路的选择等信息。

3. 数据通路设计数据通路连接了CPU中各个部件，包括寄存器、ALU、控制器等。

在设计数据通路时，需要考虑指令的执行顺序、数据的传递和处理，以及控制信号的生成等。

数据通路应该支持指令的执行和数据操作。

4. 控制信号设计控制信号是微程序控制器中最关键的部分，它确定了中央处理器中各个部件的操作方式和时序。

在设计控制信号时，需要考虑不同指令的差异性和并行性，确保指令的正确执行。

微程序控制方法由于规整性好，灵活方便，通用性强，因此在包括计算机在内的各种复杂数字系统控制器的设计中得到了广泛应用，成为控制器的主流设计方法之一。

程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把所有的控制命令信号汇集在一起编码成所谓的微指令，存放在一个EPROM里。

系统运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生执行部件所需要的各种控制信号，以控制各逻辑部件执行所规定的操作。

一个数字系统基本上可以划分成两大部分——控制部件和执行部件。

控制器就是控制部件。

而ALU、寄存器组、存储器RAM等，相对控制器来讲，就是执行部件。

那么两者之间是如何进行联系的呢? 控制部件与执行部件的联系之一，是通过控制线。

控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，我们把这种控制命令称为微命令，而执行部件接受微命令所执行的操作叫作微操作。

控制部件与执行部件之间的另一联系是反馈信息。

例如由于运算处理中正在处理的数据因其结果特征(正、负、进位、溢出等)而影响下一个操作的执行，因此就需要规定条件测试或状态测试。

执行部件通过反馈线向控制部件反映当前操作的结果情况，以便使控制部件根据执行部件的“状态”标志下达新的微命令。

在系统的一个基本周期(又称机器周期，一般由几个时钟周期组成)中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。

这里要强调两点：第一，一条微指令的有效持续时间为一个系统基本周期，它表示从ROM中读出微指令与执行这条微指令的时间总和。

当从ROM中读出下一条微指令后，当前的这条微指令即失效。

第二，一条微指令中包含若干个微命令，它们分头并行地控制执行部件进行相应的微操作。

微指令除给出微命令信息外，还应给出测试判别信息。

一旦出现此信息，执行这条微指令时要对系统的有关“状态标志”进行测试，从而实现控制算法流程图的条件分支。

微指令中还包含一个下址字段，该字段将指明ROM中下一条微指令的地址。

图1示出了微指令的典型结构，长条框内的符号X表示一个二进制位（bit）。

评语: 课中检查完成的题号及题数：成绩: 自评分:实验报告实验名称：微程序控制器日期：2012.12.31本人信息班级：学号：姓名：同组同学信息班级：学号：姓名：一、实验目的：1. 掌握微程序控制器的组成原理。

2. 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。

3. 可以自行设计一些微程序，更好地掌握微程序控制器及其工作原理。

二、实验内容：1. 对微控器进行读写操作首先对微控器进行编程（写）（1）按图连线；（2）将MC单元编程开关置为“编程”挡，时序单元状态开关置为“单步”挡，ADDR单元状态开关置为“置数”挡；（3）使用ADDR单元的低6位SA5……SA0给出微地址MA5……MA0，微地址可以通过MC单元的MA5……MA0微地址灯显示；（4）CON单元SD27…...SD20，SD17……SD10，SD07……SD00开关上置24位微代码，待写入值由MC单元的M23……M0 24位LED灯显示；（5）启动时序电路（按动一次TS按钮），即将微代码写入到EPROM2816的相应地址对应的单元中；（6）重复（3）（4）（5）3步。

再对微控器进行校验（读）（1）将MC单元编程开关置为“校验”挡，时序单元状态开关置为“单步”挡，ADDR单元状态开关置为“置数”挡；（2）使用ADDR单元的低6位SA5……SA0给出微地址MA5……MA0，相应的地址单元的数据将会被读出，重复本步。

2. 运行微程序。

3. 自行按要求设计微程序，要求编写用微程序实现存储器中两个单字节十六进制数的加法运算，结果输出至OUT单元。

要求：操作数由IN单元R0 MEMMEM R0 ALUALU R0 结果 OUT单元输出三、项目要求及分析：对于该思考题要求操作数由IN单元输入，经过R0存至MEM，再由MEM中经过R0到ALU 进行运算，将运算结果经过R0由OUT单元输出。

可以这样考虑，首先将要输入数据的地址通过IN单元输入至AR中，然后再通过IN单元将要输入的数据通过R0存至MEM中，这样可以将要参与运算的两个数据按其地址存入MEM中，接着可以输入要参与运算的数据的地址来将MEM中的数据通过R0存入ALU 中的两个寄存器中，然后ALU进行加法计算，将结果经由R0输出至OUT单元。

计算机组成原理微程序控制器部件教学实验微程序控制器是由微指令组成的，每个微指令对应一个操作或一个操作序列。

它通过微指令来描述指令的执行过程，包括指令的取指，指令的解码，操作数的获取，以及操作的执行。

微程序控制器的本质是一个状态机，通过不同的状态和状态转移来完成指令的执行，从而实现计算机的功能。

在计算机组成原理的教学实验中，微程序控制器部件是非常重要的一个实验内容。

通过搭建微程序控制器的实验平台，学生可以更好地理解计算机指令的执行过程，加深对计算机硬件的认识。

在微程序控制器部件的教学实验中，可以从以下几个方面展开。

1.搭建实验平台：首先需要搭建一个微程序控制器的实验平台，包括微指令存储器、微指令控制器、状态寄存器等硬件部件。

同时需要编写相应的微指令和微程序，对不同的指令进行模拟执行。

2.模拟指令的执行过程：通过编写微指令和微程序，可以模拟指令的执行过程。

通过手动设置各个硬件部件的状态，可以观察指令的取指、解码、执行等过程。

通过模拟执行不同的指令，可以帮助学生理解指令的执行过程和计算机的工作原理。

3.分析指令的执行效率：在实验中，可以通过不同的指令和微程序，分析指令的执行效率。

比如，可以比较不同指令的执行时间，找出其中的瓶颈和优化方法。

通过实验分析，学生可以深入理解指令的执行原理和计算机硬件的优化方法。

4.扩展实验内容：在熟悉了微程序控制器的基本原理后，可以进一步扩展实验内容。

比如，可以设计一个简单的指令集，编写相应的微指令和微程序，实现更复杂的指令的执行过程。

通过扩展实验内容，可以更好地理解微程序控制器部件的原理和功能。

总之，计算机组成原理微程序控制器部件的教学实验是一门重要的实践课程，通过搭建实验平台和编写微指令和微程序，可以帮助学生更好地理解计算机硬件的工作原理，加深对计算机指令执行过程的认识，提高计算机组成原理的学习效果。