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微程序控制器的组成与微程序设计实验报告

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信息学院

实 验 报 告

学号： 姓名： 班级：

课程名称：计算机组成原理 实验名称：微程序控制器的组成与微程序设计实验

实验性质： ①综合性实验 ②设计性实验 ③验证性实验

实验时间： 实验地点：

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；

3、为整机实验打好基础。

二、实验内容

编制微程序并观察其运行过程。

三、实验仪器

1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验系统 一台

2、排线 若干

四、实验原理

实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下方的CLR清零开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接即可。

1、微程序控制电路

微程序控制器的组成见图1-13。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具有掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，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时刻进行判别测试时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器设置为“1”状态，完成地址修改。

在该实验电路中，在CONTROL UNIT有一个编程开关SP06，它具有三种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门74LS245，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。

2、微指令格式

微指令字长24位，其控制位顺序如下：

表1-4 微指令结构图

微程序 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

控制信号 S3 S2 S1 S0 M CN RD M17 M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0

A字段 B字段 P字段

15 14 13 控制信号 12 11 10 控制信号 9 8 7 控制信号 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1 LDRI 0 0 1 RS_G 0 0 1 P1

0 1 0 LDDR1 0 1 0 RD_G 0 1 0 P2

0 1 1 LDDR2 0 1 1 RI_G 0 1 1 P3

1 0 0 LDIR 1 0 0 299_G 1 0 0 P4

1 0 1 LOAD 1 0 1 ALU_G 1 0 1 AR

1 1 0 LDAR 1 1 0 PC_G 1 1 0 LDPC

M17 M16 控制信号

0 0 Y0

0 1 Y1

1 0 Y2

1 1 Y3

五、实验步骤及结果

1、图1-15为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表1-5的二进制代码表。

表1-5 微程序时序控制实验二进制代码表

微地址 S3 S2 S1 S0 M CN RD M17 M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0

0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0

0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1

0 5 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0

0 6 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1

1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1

1 3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0

1 4 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0

1 5 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1

2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0

2 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0

2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1

2 3 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

2 5 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2 6 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 7 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1

其中uA5一uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的Pl一P4是四个测试字位。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。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。

74LS27374LS27374LS24574LS2457474LS24574LS37474LS17574LS13874LS13874LS13828C1628C1628C16123456GGGT1MK1MK8MK9MK16MK17MK24LDRILDDR1LDDR2LDIRLOADLDARM24M16M17M18M19M20M21M22M23(A)(B)(P)74LS74WECECEWECEWEOEOEOELM24LM16LM17LM9LM8LM1control and mcs51CLRT2CLRCLRCLRCLRCLKCLKCLKMS5MS0MA0MA5CLKOEmicro addressm_datam_datam_data(1)1238MD24MD17MD8MD1MD16MD9RS_GRD_GRI_G299_GALU_GPC_GINTAP(1)P(2)P(3)P(4)ARLDPC图1-13 微控制器实验原理图 2、按图1-14连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）。

MICROMS5MS4MS3MS2MS1MS0UA5UA4UA3UA2UA1UA0SWITCHSIGNALCKCLOCKT1T2TS2TS1

图1-14 微控制器时序控制实验接线图 3、观察微程序控制器的工作原理：

（1）编程

A、将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。

B、将实验板上“SIGNAL UNIT”中的“SP03”设置为“STEP”，“SP04”设置为“RUN”状态。SWITCH UNIT的开关CLR置为高电平。

C、用SWITCH UNIT的二进制模拟开关设置微地址UA5—UA0。

D、在MICRO CONTROL单元的开关SM24—SM01上设置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为“0”时灯灭。

E、启动时序电路（按动CONTROL UNIT 的“START” 触动开关），即将微代码写入到E2PR0M 28C16的相应地址对应的单元中。

F、重复C—E步骤，将表1-5的微代码写入28C16。

（2）校验

A、将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为READ（校验）状态。

B、将实验板“SIGNAL UNIT”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。

C、用SWITCH UNIT的二进制开关设置要检验的微地址UA5—UA0。

D、按动CONTROL UNIT的“START” 触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察MICRO CONTROL单元的显示灯LM24－LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于“WRITE”编程状态，重新执行（1）即可。

PC→ARPC+1运行01P4PC→ARPC+1PC→ARPC+1SW→BUSBUS→DR1DR1→RAMRAM→BUSBUS→DR1DR1→LED010021243020222723WRITE(01)READ(00)RUN(11)20(SWBSWA)P1RAM→BUSBUS→IR0210PC→ARPC+1PC→ARPC+1DR1→LEDPC→ARPC+1R0→BUSBUS→RAMRAM→BUSBUS→ARPC→ARPC+1SW→R0RAM→BUSBUS→PCRAM→BUSBUS→DR1RAM→BUSBUS→ARDR1+DR2→R0R0→DR1RAM→BUSBUS→DR2RAM→BUSBUS→ARINADDSTAOUTJMP0112071525171613142606050403101101010101

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微程序控制器的组成

微程序控制器的组成

微程序控制器的组成

微程序控制器是一种重要的计算机组成部分，它负责执行计算机指令并控制计算机的运行。微程序控制器由多个组成部分组成，包括微指令存储器、微指令控制器、微操作控制器和微指令执行单元等。

1. 微指令存储器：微指令存储器用于存储微程序的指令。微程序是一种低级的指令，它由一系列微操作组成，用于控制计算机的各个部件的操作。微指令存储器通常使用高速的存储器芯片，能够快速地读取和写入微指令。

2. 微指令控制器：微指令控制器是微程序控制器的核心部分，负责解析和执行微程序。它根据当前的微指令从微指令存储器中读取相应的微操作，并将其发送给微操作控制器执行。微指令控制器通常由状态机和控制逻辑电路组成，能够根据不同的微指令执行相应的操作。

3. 微操作控制器：微操作控制器负责控制计算机的各个部件的操作。它根据微指令控制器发送的微操作信号，控制计算机的寄存器、算术逻辑单元、存储器等部件的操作。微操作控制器通常由多个控制逻辑电路组成，每个控制逻辑电路负责控制一个特定的部件。

4. 微指令执行单元：微指令执行单元是微程序控制器的关键部分，它负责执行微操作。微指令执行单元通常由多个执行逻辑单元组成，每个执行逻辑单元负责执行一个特定的微操作。微指令执行单元能够根据微操作控制器发送的微操作信号，执行相应的操作，并将执行结果返回给微指令控制器。

5. 输入输出接口：微程序控制器还包括输入输出接口，用于与计算机的外部设备进行通信。输入输出接口通常由多个输入输出端口组成，每个输入输出端口负责控制一个特定的外部设备。微程序控制器通过输入输出接口与外部设备进行数据的输入和输出。

6. 控制总线：微程序控制器通过控制总线与计算机的其他部件进行通信。控制总线能够传输微指令控制器发送的微操作信号和微指令执行单元返回的执行结果。控制总线通常由多根数据线和控制线组成，能够并行传输多个信号。

7. 时钟：微程序控制器通过时钟信号来同步各个部件的操作。时钟信号负责控制微指令控制器、微操作控制器、微指令存储器和微指令执行单元的操作顺序和时序。时钟信号通常由时钟发生器产生，能够提供稳定的时钟脉冲。

微程序控制器的设计与实现研究

微程序控制器的设计与实现研究

２０１０年７月　Ｊｕ１．２０１　０　文艺理论　Ｌ　ＪＴＥＲＡＲＹ　ＴＨＥｏ只Ｙ　微程序控制器的设计与实现研究　朱飞　（南京邮电大学计算机学院，江苏南京２１００４６）　摘要：微程序控制器同组合逻辑控制器相比较，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点，因　而在计算机设计中逐渐取代了早期采用的组合逻辑控制器，并已被广泛地应用　在计算机系统　中，微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。　关键字：微程序控制器；ＣＰＵ；ＱｕａｒｔｕｓｌＩ；ＶＨＤＬ　中图分类号：ＴＰ１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—５３１２（２０１０）１３—０１３８一Ｏ１　微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方　法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存　储器里．当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而　产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规　定的操作，采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。　微程序控制器由指令寄存器ＩＲ、程序计数器ＰＣ、程序状态字　寄存器ＰＳｗ、时序系统、控制存储器ＣＭ、微指令寄存器以及　微地址形成电路。微地址寄存器等部件组成。执行指令时，从　控制存储器中找到相应的微程序段，逐次取出微指令，送人微　指令寄存器，译码后产生所需微命令，控制各步操作完成。　一、处理器的工作过程简介　计算机的数据和程序一般存储在硬盘中，程序执行之前　将其调入内存。程序是指令的有序集合，ＣＰＵ从内存里取出指　令和数据，并根据指令的要求对数据进行加工（计算），指令的　执行过程如下图所示。简单的说，指令执行过程分为取指令和　执行指令２个步骤：处理器从内存中取出一条指令，执行该指　令，然后再取下一条指令，如此循环往复，执行整个程序。　下图是指令执行过程的较为详细的示意图，假定程序（指　令序列）和数据已经放在内存中；具体步骤如下：　（１）根据程序计数器ＰＣ的内容从内存中取出一条指令，　放置于指令寄存器ＩＲ中。　（２）分析ＩＲ中的操作码，决定应执行的操作。　（３）根据ＩＲ的地址码取出参加运算的操作数。　（４）对操作数进行运算。　（５）根据ＩＲ的地址码把运算结果存人指定地址。　（６）本条指令执行完毕，修改Ｐｃ内容决定下一条指令所　在的地址。　二、指令系统及微操作序列　程序和数据存放在内存中，处理器要和内存相互配合才　能执行程序，某些处理器中也包含有少量的存储空间。　如果是从内存读取数据：　（１）把地址送到ＭＡＲ，再送到访问内存的地址总线Ｍ—ａｄ—　ｄｒｅｓｓ，供内存使用。　（２）处理器发出读取数据的命令（ｗｒｉｔｅ＿ｒｅａｄ－－Ｏ）。　（３）ＭＥＭ接到命令后，将Ｍ＿ａｄｄｒｅｓｓ所指定存储单元的内　容加载到数据总线Ｍ＿ｄａｔａ＿ｉｎ。　（４）处理器将数据总线Ｍ＿ｄａｔａ＿ｉｎ上的数据加载于数据寄　１３８　存器ＭＤＲ。　如果是向内存写数据：　（１）把地址送到ＭＡＲ，再送到访问内存的地址总线Ｍ—ａｄ—　ｄｒｅｓｓ，供内存使用。　（２）处理器把数据加载于ＭＤＲ，再把ＭＤＲ的内容送到数　据总线Ｍ＿ｄａｔａ＿ｉｎ。　（３）处理器发出写入数据的命令（ｗｒｉｔｅ＿ｒｅａｄ＝１）。　（４）ＭＥＭ接到命令后，将Ｍ—ｄａｔａ＿ｏｕｔ上的数据写入Ｍ—ａｄ—　ｄｒｅｓｓ所指定的存储单元。　内存中可以有少量存储空间是只读存储器ＲＯＭ，大量存　储空间是随机访问存储器ＲＡＭ，ＲＯＭ和ＲＡＭ统一编址。内　存中包含少量ＲＯＭ的原因是：　（１）预先编制好的启动程序加载在ＲＯＭ中。　（２）计算机在加电时自动产生ｒｅｓｅｔ信号，确保计算机进　入正确的初始状态，当ｒｅｓｅｔ信号失效后，便从ＲＯＭ中某个预　定地址读取指令，执行启动程序。　三、微程序控制器的组成　下图是微程序控制器的结构框图。它由控制存储器、微地　址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部分组成。微地址　寄存器和微命令寄存器两者的总长度即为一条微指令的长　度，二者合在一起称为微指令寄存器。　下面对系统进行仿真，仿真输出的四个脚为：　ｏｕｔｓ：ＯＵＴ　ＳＴＤ—ＬＯＧＩＣ—ＶＥＣＴＯＲ（ｗｌ一１　ＤＯＷＮＴＯ　Ｏ）；　一一输出　Ｐｏｕｔ：ＯＵＴ　ＳＴＤ—ＬＯＧＩＣ—ＶＥＣＴＯＲ（ｗ２—１　ＤＯＷＮＴＯ　０）；　一指令输出　Ｄａｔａｏｕｔ：ＯＵＴ　ＳＴＤ—ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ（１９　ＤＯＷＮＴＯ　０）；　一数据输出　ａｄｄｒｅｓｓｏｕｔ：ＯＵＴ　ＵＮＳＩＧＮＥＤ　ｆ４　ＤＯＷＮＴＯ　ｏ）－－地址输　出　这四个输出中的地址输出是控制实际微机的寄存器，然　后将数据写入相应的地址从而达到相应指令的效果。输出是　什么含义，不同的指令所对应的地址和值是不同的。所以仿真　结果就是反应了这点。简单的说，指令执行过程分为取指令和　执行指令２个步骤：处理器从内存中取出一条指令，执行该指　令，然后再取下一条指令，如此循环往复，执行整个程序。至　此，完成了微程序控制器的设计与实现。

实验四常规型微程序控制器组成实验

实验四常规型微程序控制器组成实验

实验四 常规型微程序控制器组成实验

一、实验目的

掌握时序发生器的组成原理。

掌握微程序控制器的组成原理。

二、实验电路

时序发生器

本实验所用的时序电路见图。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 时序信号发生器

本次实验不涉及硬连线控制器，因此时序发生器中产生W1-W3的部分也可根据需要放到硬连线控制器实验中介绍。

产生时序信号T1-T4的功能集成在图中左边的一片GAL22V10中，另外它还产生节拍信号W1-W3的控制时钟CLK1。该芯片的逻辑功能用ABEL语言实现。其源程序如下：

MODULE TIMER1

TITLE 'CLOCK GENERATOR T1-T4'

CLK = .C.;

"INPUT

MF, CLR, QD, DP, TJ, DB PIN 1..6;

W3 PIN 7;

"OUTPUT

T1, T2, T3, T4 PIN 15..18 ISTYPE 'REG';

CLK1 PIN 14 ISTYPE 'COM';

QD1, QD2, QDR PIN ISTYPE 'REG'; ACT PIN ISTYPE 'COM';

S = [T1, T2, T3, T4, QD1, QD2, QDR];

EQUATIONS

QD1 := QD;

QD2 := QD1;

ACT = QD1 & !QD2;

QDR := CLR & QD # CLR & QDR;

T1 := CLR & T4 & ACT # CLR & T4 & ! (DP # TJ # DB & W3) & QDR;

微程序控制器实验报告

微程序控制器实验报告

微程序控制器综合作业实验报告

题目：[ADR1] 或 SR → [ADR2]

微程序：操作码：3B 入口地址26

指令 操作功能 微址 下址 CI3~0 SCC3~0 MRW I2~0 I8~6 I5~3 B口 A口 SST SSHSci DC2 DC1

1 SR--Q 26 00 1110 0000 100 000 000 000 0000 0000 000 000 000 000

2 PC--AR,

PC+1--PC 27 00 1110 0000 100 011 010 000 0101 0101 000 001 011 000

3 MEM--AR 28 00 1110 0000 001 111 001 000 0000 0000 000 000 011 000

4 MEM∨Q—Q 29 00 1110 0000 001 110 000 011 0000 0000 000 000 000 000

5 PC—AR

PC+1--PC 2a 00 1110 0000 100 011 010 000 0101 0101 000 001 011 000

6 MEM--AR 2b 00 1110 0000 001 111 001 000 0000 0000 000 000 011 000

7 Q--MEM 2c 30 0011 0000 000 010 001 000 0000 0000 000 000 000 001

指令说明：

1 SR-＞Q（将SR的值暂存在Q寄存器中）：

下址（00）：给出监控程序的首地址和禁止中断，在教学机加点启动时被执行一次，正常运行期间不再使用。（下同）

CI3~0（1110）：#14命令，表示顺序执行，下一条指令紧跟在本条指令后面执行。（下同）

SCC3~0（0000）：必转。（下同）

MRW（100）：既不读写内存也不读写接口，因为这里没有用到内存MEM。

I2~0（000）：SR的数据来源是A口，另一个数据来源是Q。