组合逻辑控制器部件实验

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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.TH—UNION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

TH—UNION 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CI3—SCC控制.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(CI3—0=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：

① 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３组３位的控制码I８－I６、 I５－I３、I２－I６，用于选择结果处置方案、运算功能、数据来源。 ３组共７位控制信号控制配合的两片GAL20V8 3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 ② 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

③ 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。

④ 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、

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SHR、OUT、MVRD、JRC、RET、CALA等指令）的功能、格式和执行流程，然后自己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16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、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，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

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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： <1> 置数据开关SW=00000000 00000001；（是ADD R0，R1 指令） <2> 按RESET按键；节拍指示灯T4~T0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) <3> 按START按键；T3~T0显示 （ ）；（AR←PC，PC←PC+1）； <4> 按START按键；T4~T0显示 （ ）；(读内存，IR←读出指令)； <5> 按START按键；T4~T0显示 （ ）；( R0←R0+R1操作),指令结束； <6> 再按START按键，将返回到第<3>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DR←[SR]功能，观察其执行流程 <1> 置数据开关SW=10000001 DRSR ；（LDRR DRSR指令） <2> 按RESET按键，T4~T0显示（ ）；(总清教学计算机系统) <3> 按START按键，T4~T0显示 （ ）；（AR←PC，PC←PC+1） <4> 按START按键，T4~T0显示（ ）；(读内存，IR←读出指令)

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<5> 按START按键，T4~T0显示（ ）；（执行LDRR指令的第一步：送内存地址，即AR←DR）

<6> 按START按键，T4~T0显示 （ ）；（执行LDRR指令的第二步：读、写内存或读、写外设DR←DATA） 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 <1> 置拨动开关SW=00001011 00010000；（指令ADD) <2> 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 SSHSCI I8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC2 1000 100 0101 0101 001 011 001 001 000 000 111 0000 公共节拍 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 011 0010 001 0000 0000 000 001 000 000 000 000 001 0011 00000000 100 0000 0001 000 011 000 001 001 000 000 选择基本指令的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。

<1>置拨动开关SW=10000001 DRSR；(指令LDRR)

<2>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 SSHSCI I8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC2 1000 100 0101 0101 001 011 001 001 000 000 111 0000 公共节拍 100 0101 0101 001 010 000 011 000 000 011 0010 001 0000 0000 000 001 000 000 000 000 001 0110 10000001 100 SR 0000 000 001 000 100 000 000 011 0100 10000001 001 0000 DR 000 011 000 111 000 000 000

7. 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]↙ ；将R2地址的内容到送到R0的低位

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2004：OUT 80 ；在屏幕上输出显示字符‘6’ 2005: JR 2000↙ ；无条件跳转到2000

2006：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 1000 0000 0010 0110 2001 MVRD 0100 2002 0110 2003 LDRR 0100 2000 0110 2004 OUT 0100 0080 0011 2005 JR 数据 MRW 100 100 001 A B SSHSCI I8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC2 001 001 000 001 000 000 000 000 000 000 000 011 010 001 010 011 001 011 001 001 011 011 001 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 011 000 011 111 100 111 111 100 101 001 000 000 111 000 000 011 000 000 001 000 000 011 000 000 000 000 000 011 111 000 000 000 010 011 000 001 000 000 010 000 001 000 000 0101 0101 0101 0101 0000 0000 0101 0101 0000 0010 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 0101 0110 0011 0000 100 2000 001 0000 100 0036 001 0000 100 0036 010 0000 100 0011 2000 E数据 0000 100 腹有诗书气自华

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8. 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： <1> 置拨动开关SW=00000000 DRSR；（指令ADD） <2> 按RESET按键；节拍指示灯T4~T0显示1000；(本拍在第1次复位后才会执行) <3> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0000；(以上两拍为公共节拍，在手动 置指令方式下无意义) <4> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0010；（公共节拍将指令编码写入IRH、

IRL）

<5> 按START按键；节拍指示灯T4~T0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 SSHSCI I8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC2 0011 00000000 100 0000 0001 000 011 000 001 001 000 000 2) 选择指令的B组指令中的LDRR指令，观察其节拍流程： <1> 置拨动开关SW=10000001 DRSR；（指令LDRR）

<2> 按RESET按键；节拍指示灯T4~T0显示1000；(本拍在第1次复位后才会执

行)

<3> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0000；(以上两拍为公共节拍，在手

动置指令方式下无意义)

<4> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0010；（公共节拍，将指令编码写入

指令寄存器IRH、IRL）

<5> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0110；(PC→AR，PC+1→PC) <6> 按START按键；节拍指示灯T4~T0显示0100；（MEM→DR）

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 SSHSCI I8-6 I5-3 I2-0 SST DC1 DC2 0110 10000001 100 SR 0000 000 001 000 100 000 000 011 0100 10000001 001 0000 DR 000 011 000 111 000 000 000 六.实验要求与实验报告内容

<1>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。

<2>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；

<3>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。

<4>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。

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指导教师签字： 年 月 日

出师表

两汉：诸葛亮

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先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。

宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。

侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。

将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也

。

臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。

先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。 愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。 今当远离，临表涕零，不知所言。

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