计算机组成原理实验报告 - 图文

实验一 静态随机存取存贮器实验

一. 实验目的

了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。

二. 实验内容

实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K×8bit）存放程序和数据。

CE：片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。 OE：读信号线，低电平有效。 WE：写信号线，低电平有效。 A0..A10: 地址信号线。 I/O0..I/O7:数据信号线。

CE OE WE 功能 1 × × 不选中6116 0 0 1 读 0 1 0 写 0 0 0 不确定 SRAM6116功能表

存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：

读写控制逻辑

M_nI/O用来选择对MEM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。

存贮器实验原理图

存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10..A8接地，所以其实际容量为256字节。

数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。

IN单元通过一片74HC245(三态门)，连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。

T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，……

按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。 其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。

三. 实验过程和图片

1、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、—— 开关区单元：K15..K12(JP92) nINTA(JP42) 存贮器MEM单元：A0..A7(JP72) —— ABus单元：A00..A07(JP56) 存贮器MEM单元：D0..D7(JP73) —— DBus单元：D0..D7(JP53) 存贮器MEM单元：M_nRD、—— CBus单元：nM_RD、M_nWR(JP71) nM_WR (JP44) MAR单元：D0..D7(JP14) —— iDBus单元：iD0..iD7(JP38) MAR单元：wMAR、nMAROE（JP13） —— 开关区单元：K7、K6(JP96) IN单元：IN0..IN7(JP101) —— iDBus单元：iD0..iD7(JP37) IN单元：nCS、nRD(JP100) —— 开关区单元：K1、K0(JP99) 扩展区单元： JP65 —— ABus单元：A00..A07(JP55) 扩展区单元： JP63 —— DBus单元：D0..D7(JP54) 扩展区单元：JP67 —— CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP50) 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。 2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位

3、给6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元写入数据11H、22H、33H、44H、55H、61H。由前面的存贮器实验原理图中可以看出，IN单元的8个拨动开关提供数据和地址，因此先提供地址，具体操作步骤为：（1）禁止对存贮器6116的读写（nWR = 1，nRD = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位地址数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出； （3）MAR单元的nMAROE = 0,允许MAR中锁存的地址数据输出到地址总线上；wMAR = 0，允许写MAR，按CON单元的STEP键一次，依次发出T1、T2、T3信号，在T3的下降沿，IN单元给出的地址数据锁存到MAR中。再写数据：（1）禁止对存贮器6116的读写（nWR = 1，nRD = 1）、MAR的写（wMAR = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出；（3）允许对6116写（M_nIO = 1，nRD = 1, nWR = 0）,按uSTEP键三次，在T2的下降沿，数据写入6116中。写存贮器的流程图如下(以向00地址单元写入11H为例)

读存储器流程图

如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“存贮器实验”，打开存贮器实验的数据通路图。

写存贮器流程图

4、从6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元读出数据，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。与写操作类似，先给出地址，再禁止IN单元输出数据（nRD、nCS至少一个=1），最后进行读操作：（1）使6116处于读状态（M_nIO = 1，nRD = 0, nWR = 1）,（2）按uSTEP键三次，在T2、T3信号有效时，6116向数据总线输出数据。读存贮器的流程如下（以从00地址单元读出11H为例）：

数据通路图

进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前对存贮器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析对SRAM的读写过程。

四. 实验体会

通过这次实验，我基本掌握了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法。这次的实验虽然连线比较简单，但是操作比较复杂，其原理也很丰富。同样的我们在接口串行成功后，进行了实验步骤的操作。根据书本上提供的数据我们进行了输入，并得到了正确的结果。而为了充分验证它，并进一步了解它的原理，我跟组员也进行了一些创新，进行了不同的输入，然后通过书本原理计算结果，发现都与实验结果相同。这让我们更清楚的知道了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法，有了很深刻的印象。由于一次一次的实验，我们对某些原来步熟悉的元件也有了一定的认识，知道它某些方面的用途，以及在特定实验中的作用。相信这些对以后的学习和实验都会有很大的帮助。

实验二 系统总线和具有基本输入输出功

能的总线接口实验

一. 实验目的

1.理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。

2.掌握中断控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计中断控制信号线的方法。

二. 实验内容

由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和

CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。

由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示： I/O地址译码原理图 A07 A06 00 01 10 11 I/O地址空间分配

CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制 读写控制逻辑

M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。

在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要

片 选 IO_nCE0 IO_nCE1 IO_nCE2 IO_nCE3 地址范围 00-3F 40-7F 80-BF C0-FF 求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。

三. 实验过程和图片

1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程： ①输入设备将一个数打入R0寄存器。 ②输入设备将另一个数打入地址寄存器。

③将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。

④将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。 2、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42) ALU单元：rR0、wR0 ALU单元：IN0..IN7(JP22) MAR单元：nMAROE、—— —— —— —— —— 存贮器MEM单元：A0..A7(JP72) 存贮器MEM单元：D0..D7(JP73) 存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71) IN单元：IN0..IN7(JP101) IN单元：nRD IN单元：nCS OUT单元：nWR(JP68) OUT单元：nCS —— —— —— —— —— —— —— —— CBus单元：nIO_WR(JP48) 扩展区单元：GND 开关区单元：K11、K10(JP94) iDBusABusDBus单单单元元元：：：iD0..iD7(JP38) A00..A07(JP56) D0..D7(JP53) CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44) DBusCBus单单元元：：D0..D7(JP52) nIO_RD(JP49) 扩展区单元：GND wMAR(JP13) MAR单元：D0..D7(JP14) iDBus单元：JP37 开关区单元：K5..K12(JP92) 开关区单元：K9、K8 OUT单元：JP69 OUT单元：JP70

—— —— DBus单元：D0..D7(JP54) 扩展区单元：JP65 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。

3、具体操作步骤图示如下：

在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。

(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总线)

(2) 打开实验仪电源

(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器

将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。

wR0 = 1，结束写R0操作

(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元

将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。

rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。

rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。 (5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。

将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。

wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。 wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。

(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。

rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设

备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，

在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、

nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。

四. 实验体会

1、存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，因此需要外部总线提供数据信 号、地址信号以及控制信号。 2、外部总线和 CPU 内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。 而地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。 3.为了实现对于 MEM 和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 设备的读写 4、WR=0，RD=1，IOM=0时 E0 灭，表示存储器读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=0） 连续按动开关ST，当指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭，表示存储器写功能信号有效。 WR=0，RD=1，IOM=1时，E2 灭，表示 I/O 读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=1）时，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E3 灭，表示 I/O 写功能信号有效。 5、在接线时为了方便，可将管脚接到 CON 单元闲置的开关上，若开关打到 1，等效于接到VCC；若开关打到0，等效于接到GND。

实验三 具有中断控制功能的总线接口实验&具有DMA控制功能的总线接口实验

一. 实验目的

DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。

二. 实验内容

直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。

DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。 外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。

实验原理图

如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。

在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。

三. 实验过程和图片

1、连线说明： CBus单元：JP47(nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA) CBus单元：HOLD(JP50)

2、具体操作步骤如下：

(1)打开实验仪电源，将开关区单元的K0置为0，按CON单元的nRST

—— —— 扩展区单元：JP67 开关区单元：K0(JP99) 按键，CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA输出“1”、“1”、“1”、“1”、“0”、“0”，前四个信号分别点亮扩展区的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯。用万用表测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平。

（2）将开关区单元的K0(HOLD)置为1，连续按动CON单元的uSTEP键，发现在T3结束时，HLDA信号点亮DS164，表示CPU响应DMA请求，T1、T2、T3均输出无效的低电平信号，再按uSTEP键，也没反应，表示CPU已锁住时钟信号；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯均熄灭，表示这几个控制信号均处于高阻状态（因为扩展区的排针上接有下拉电阻，高阻信号接到这些排针上，变为低电平，所以指示灯熄灭）；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是高电平，说明CPU与外部总线已隔断。

（3）将开关区单元的K0（HOLD）置为0，撤消DMA请求，按动CON单元的uSTEP键一次，发现HLDA信号对应的指示灯DS164熄灭，表示CPU输出无效的HLDA信号（低电平）；T1输出高电平，T2、T3输出低电平信号，表示CPU时钟已开始正常工作；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯点亮，表示CPU已输出这几个控制信号；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平，说明CPU已收回外部总线控制权。

四. 实验体会

1．CPU的响应包括两方面： （1）让出总线控制权 （2）将有效的HALD信号加到DMAC上，通知DMAC可以 使用总线进行数据传输。 2.CPU在收到无效的HOLD信号时，一方面使HALD无效，另一方面，重新开始控制总线，实现正常运行。

3．在每个机器周期的T4时刻根据，HOLD信号来判断是否有DMA请求，如果有，则产生有效的HALD信号。 HALD信号一方面锁死CPU的时钟信号，使CPU保持当前状态，等待DMA操作的结束。 另一方面使控制缓冲、数据缓冲、地址缓冲都处于高阻状态，隔断CPU与外总线的联系，将外总线交由DMAC控制。

4、当 HALD 信号无效时，总线上输出的存储器读信号 XMRD 为有效态“0”，当 HALD 信号有效时，总线上输出的存储器 读信号 XMRD 为高阻态。

5、XMRD 为低时，相应的指示灯E0 灭。使用电压表测量数据总线和地址总线左侧的芯片74LS245的使能控制信号（第19脚），发现电压为低，说明数据总线和地址总线与 CPU 连通。

6、按动开关ST，发现控制总线单元的时钟信号指示灯T1——T4保 持不变，说明CPU的时钟被锁死。此时XMRD为高阻态，相应的指示灯E0亮。

二. 实验内容

一. 实验目的

了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。

实验四 基本运算器实验

运算器原理图

运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3..S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3..S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；

I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。

逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是8×8位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个4×4位桶形移位器

所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。

如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in[3])右移至第1位(out[1]),第2位(in[2])移至第0位(out[0])。

又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。

逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。

运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。

实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。

暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图：

进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部数据总线 iD7…iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0..R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0..R_7显示那个寄存器的值。

ALU功能表 运S3 S2 S1 C功能 算类型 S0 N_I F = A （直通） F = B （直通） F = A + B （或） （FZ） 逻辑运算 F = A * B （与） （FZ） F = A ^ B （异或） （FZ） F = /A （取反） （FZ） F = A 不带进位循环右移0 （FZ） B(取低3位)位 0101 1 F = A 算术右移一位 （FZ） 0 F = A 逻辑右移一位 （FZ） 移0110 F = A 带进位循环右移一（FC，位运算 1 位 FZ） 0 F = A 逻辑左移一位 （FZ） 0111 F = A 带进位循环左移一（FC，1 位 FZ） （FC，0 F = A + B FZ，FS） 1000 （FC，1 F = A + B + FC FZ，FS） （FC，0 F = A - B 算FZ，FS） 1001 术运算 （FC，1 F = A - B - FC FZ，FS） 0 F = A + 1 （FZ） 1010 1 F = NEG A (取补) （FZ） 1011 X F = A - 1 （FZ） 1100 X 置FC = CN_I （FC） 其它 1101 X 置I = CN_I (I) 1110 （保留） 1111 （保留） S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。

0000 0000 0001 0010 0011 0100 0 1 X X X X 三. 实验过程和图片

1、连线说明：

ALU单元：S0..S3(JP18) —开关区单元：K20..K23(JP89) — ALU单元：wA、wB、rALU、—开关区单元：K15..K12(JP92) CN_I(JP19) — ALU单元：—扩展区单元：JP62 ALU_D0..ALU_D7(JP25) — ALU单元：IN0..IN7(JP22) —开关区单元：K0..K7(JP97)

— 2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。

3、给暂存器A赋初值 （1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是?1?，灭为?0?。

（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7…A_0 LED上显示A中的值

4、给暂存器B赋初值 （1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。 （2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7…R_0 LED上显示B中的值

5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU(K10)=0,按uSTEP键，进入T3节拍， 节拍 DS169 DS168 T1、T2、T3无效 0 0 （T1=0、T2=0、T3=0） T1 （T1=1、T2=0、0 1 T3=0） T2 （T1=0、T2=1、1 0 T3=0） T3 （T1=0、T2=0、1 1 T3=1） 说明：1-亮；0-灭 当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94..DS101的LED上。

6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0 = 58H；FC、FZ、FS、I不变。

注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。

如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验

的数据通路图。

进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。

数据通路图

重复上述操作，并完成下表。然后改变A、B、CN_I的值，验证 FC、FZ、FS、EI的锁存功能。

运算结果表 运算类型 A B S3 S2 S1 S0 0000 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0101 0110 CN_I 结果 ALU=（58） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（AB） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 ) ALU=（FB） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=(0 ) ALU=（ 08 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 ) ALU=（ F3 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（A7 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（ 0B ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 ) ALU=（2C ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（ 2C ） FC=（ 0）58 58 58 58 58 58 58 移位运算 58 58 AB AB AB AB AB AB AB AB AB 0 1 X X X X 0 1 0 逻辑运算 FZ=（0） FS=( 0) 58 58 AB AB 0110(FC=0) 0110(FC=1) 58 58 58 AB AB AB 0111 0111(FC=0) 0111(FC=1) 58 58 58 AB AB AB 1000 1000(FC=0) 1000(FC=1) 58 算术运算 58 58 AB AB AB 1001 1001(FC=0) 1001(FC=1) 58 58 58 其它 58 58 AB AB AB AB AB 1010 1 1011 1100 1101 X X X ALU=（ 2C ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（ 2C ） FC=（0 ）FZ=（0） FS=(0 ) ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 ) ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ ） FS=( ) ALU=（ B0 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=(0 ) ALU=（ 03 ） FC=（1 ）FZ=（0 ） FS=( 0) ALU=（ 04 ） FC=（1 ）FZ=（0 ） FS=(0 ) ALU=（ 04 ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 0) ALU=（ AD ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=(1 ) ALU=（AC ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 1) ALU=（ AC ） FC=（ 1）FZ=（ 0） FS=( 1) ALU=（59 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=( 0) ALU=（ 58 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 ) ALU=（57） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0) FC=（ 00） EI=（ 00） 1 0 1 0 1 0 1 0 四. 实验体会

熟悉了整个实验系统的基本结构，了解了该实验装置按功能分成几大区，学会何时操作各种开关、按键。最重要的是通过实验掌握了运算器工作原理，熟悉了算术逻辑运算的运算过程以及控制这种运算的方法，了解了进位对算术与 逻辑运算结果的影响，对时序是如何起作用的没太弄清楚，相信随着后续实验的进行一定会搞清楚的。

实验五 微程序控制器实验

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。

二. 实验内容

微程序设计思想是由剑桥大学的M.V.Wilkes教授首先提出的，为每一条机器指令编写一个微程序，每一个微程序包含一条或几条微指令，每一条微指令对应一个或几个控制各部件动作的微操作指令。然后把这些微程序存到一个控制存贮器中，用寻找用户程序机器指令的方法寻找每个微程序中的微指令。由于这些微指令是以二进制代码形式表示的，每位代表一个控制信号，因此，逐条执行每一条微指令，也就相应地完成了一条机器指令的全部操作；由于控制信号是以二进制代码的形式出现的，因此只要修改微指令的代码，就可改变操作内容，便于调试、修改、甚至增删机器指令，有利于计算机仿真。

微程序控制器原理框图

微程序控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由CON单元来提供，分为三拍T1、T2、T3。

微程序控制器的组成见下图，采用四片6116或2816作为微存贮器，微命令寄存器32位，用四片8D触发器（74HC574）组成。

在取指周期的T2下降沿，读取的8位指令数据锁存到指令寄存器(IR)中；T3时刻，根据IR、状态条件（例如：进位标志位、零标志位等），译码生成该机器指令对应的微地址（该机器指令对应uM的首地址），送入微地址寄存器(uPC)；如果不在取指周期，uPC的微地址来自于微指令寄存器的低8位（该机器指令对应的后续微地址）；在T3的下降沿，将控制存贮器中输出的微指令锁存到微指令寄存器中。

微程序控制器原理图 CON单元有一组按键，与开关区的拨动开关组合，可用来对存贮器MEM、控制存贮器uM读写操作：EXEC按键上方有一指示灯，复位后，指示灯亮，表示实验仪处于运行状态，STEP键、uSTEP键、iSTEP键、PULSE键有效；按一次EXEC键，实验仪切换到编辑状态，ADDR键、+1键、-1键、uM/M键、nRD键、nWR键有效；再按一次EXEC键，实验仪又切换到运行状态。如果在编辑状态时，使用按键，修改过MEM或uM的地址、数据，从编辑状态切换到运行状态后，请按一次nRST复位键，使实验仪回复初始设置（复位PC、uPC、微程序控制器等）。

以向uM的00H单元中写入44332211为例，对控制存贮器进行写入的具体操作步骤如下：

（1）如果EXEC键上方指示灯熄灭，表示实验仪在uM、MEM编辑状态，转第二步；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯熄灭

（2）如果uM/M键上方指示灯亮，表示处于uM编辑状态，直接转第三步；否则，按uM/M键一次，使uM/M键上方指示灯点亮

（3）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）

（4）IN单元开关给出该控存单元数据的低八位（00010001），按一次nWR键，低八位数据写入6116/2816的同时，打入uM7-0对应的锁存器中，uM单元的uM0、uM4灯点亮，uM1-3、uM5-7指示灯熄灭

（5）按一次+1键，准备写该控存单元的15-8位；IN单元开关给出数据

这时用户可以作相应的修改，直到编译文件通过。 4．调试

如果编译、连接正确后，可以开始调试程序。进入调试状态方法有： 执行[ 主菜单 ? 运行 ? 进入调试状态]；点击工具条的 执行[ 主菜单 ? 运行 ? 装载DOB、HEX、BIN文件] 进入后的窗口如下：

在信息窗的“装载”视中，显示装载的代码文件，装载的字节数，装载完毕后，显示启始地址，结束地址。这种船坞化的窗口比通常的窗口显示的内容更多，移动非常方便。用鼠标左键点住窗口左边或上方的标题条，移动鼠标，将窗口移到您认为合适的位置；将鼠标移到窗口的边上，鼠标的图标变成可变化窗口时的形状，用鼠标左键点住，移动鼠标，变化一个或一组窗口的大小。 在“存贮窗1”的工具条中选择“微程序”；在星研软件的工具条上“选择实验”下拉框中选择“简单模型机实验”；在信息窗中选择“微程序”标签视。

您可以使用以下命令调试您的程序： 单节拍 单节拍命令，实验仪完成一个节拍工作。 单周期 单周期命令，实验仪完成当前机器周期工作。 单步（功能键F7）

单步执行当前指令，实验仪执行完当前机器指令后停止工作。 连续单步（功能键Ctrl + F7） 连续执行“单步”，用鼠标点击或按任意键后，执行完当前机器指令后停止运行。

全速运行（功能键Ctrl + F10）

从当前地址开始全速运行用户程序。用鼠标点击，执行完当前机器指令后停止运行。

停止运行

终止微机与实验仪之间通信（功能键 ESC）。 刷新 从实验仪读回数据，刷新所有窗口。

节拍频率

可选择3Hz、30Hz、300Hz、3KHz。节拍频率越高，模型机执行越快。

使用各种运行命令，调试机器程序、微程序：

使用单节拍命令，对于每一条微指令，体会系统在T1、T2、T3节拍中各做的工作；对于调试过的微指令，可使用单周期命令，快速运行；对照微程序流程图，观察微地址uPC指示灯是否与流程一致；观察DBus总线、ABus总线，对照数据通路图，分析总线上数据是否正确；微指令显示和实验仪是否一致。 当模型机执行到JMP指令时，观察OUT单元显示的数据是否为IN单元数据的2倍；改变IN单元的值，使用单步命令，点一次，模型机执行一条完整的机器指令，循环运行，从OUT单元显示的数判别程序执行是否正确。 使用运行命令，这时，不再刷新星研软件的各个窗口，模型机在全速执行程序；通过OUT单元判断执行是否正确。点击，模型机执行完当前机器指令后停止运行。星研软件从实验仪读取数据，刷新所有窗口。

四. 实验体会

遇到的问题：数据通路中数据的走向不正确 解决办法：重新连线，重新调试。

本次实验虽然接线上相比第二次要复杂一些，但是通过实验上的操作，充分理解了微指令的取值过程以及执行过程，对整体的流程有了更深刻、更完整的了解，在接线上也有了更强的动手能力和排错能力，在以后的实验中要更加注重理论与实践的结合，将理论应用于实践，从实践中加深对理论的理解。

（00100010），按一次nWR键，15-8数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM15-8对应的锁存器中，uM单元的uM9、uM13灯点亮，uM8、uM10-12、uM14-15指示灯熄灭

（6）按一次+1键，准备写该控存单元的23-16位；IN单元开关给出数据（00110011），按一次nWR键，23-16位数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM23-16对应的锁存器中，uM单元的uM16、uM17、uM20、uM21灯点亮，uM18、uM19、uM22、uM23指示灯熄灭

（7）按一次+1键，准备写该控存单元的最高8位；IN单元开关给出数据（01000100），按一次nWR键，最高8位数据写入最后一片6116/2816的同时，打入uM31-24对应的锁存器中，uM单元的uM26、uM30灯点亮，uM24-25、uM27-29、uM31指示灯熄灭

如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）

编辑完成后进行校验。以校验00H单元为例，对于控制存贮器uM进行校验的具体操作步骤如下：

（1）确认EXEC键上方指示灯熄灭；uM/M将上方指示灯点亮 （2）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）

（3）按一次nRD键，从6116/2816（低八位）读出数据，打入uM7-0对应的锁存器中，uM7-0指示灯显示数据（00010001）

（5）按一次+1键，准备读该控存单元的15-8位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（中八位）读出数据，打入uM15-8对应的锁存器中，uM15-8指示灯显示数据（00100010）

（6）按一次+1键，准备读该控存单元的23-16位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（高八位）读出数据，打入uM23-16对应的锁存器中，uM23-16指示灯显示数据（00110011）

（6）按一次+1键，准备读该控存单元的31-24位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（最高八位）读出数据，打入uM31-24对应的锁存器中，uM31-24指示灯显示数据（01000100）

如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001） 如果按一次-1键，uPC-1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000000）；按nRD或nWR键一次，对uM31-24（最高八位）对应的芯片操作；继续按-1键，依次对高八位、中八位、低八位对应的芯片操作；减至低8位后，再按动-1键一次，微地址uPC会自动减一，继续对下一个单元的操作。

如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。

微指令字长共 32位，控制位顺序如下表：

微指令格式 位 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 信号SP_nrALwPiEnd wA wB wIR rRDi rRi A字段 名 OE U SW 位 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11-8 信号CN_rPPC+nMAnPCOnINnWM_nnRD S3..S0 名 I C 1 ROE E TA R IO 位 7-0 信号uM_PC7..uM_PC0 名

A字段 23 22 选择 0 0 NOP 0 1 wRi 1 0 wPC 1 1 wMAR 其中uM_PC7..uM_PC0为8位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。

本实验用到的控制位：

wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。

wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。

wIR:写指令寄存器IR。wIR为低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到IR。

rRDi：读通用寄存器。rRDi低电平，在T1时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上。

rRi: 读通用寄存器。rRi低电平，在T2时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上；在T3时刻，如果rALU信号为高电平，通用寄存器中数据也输出到iDBus上。

rALU：允许ALU结果输出到iDBus上。rALU低电平，在T3时刻，ALU的运算结果输出到iDBus上，这时rRi、nRD只在T2时刻有效，T3时刻让出iDBus。

wRi：写通用寄存器。wRi低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到通用寄存器中。

CN_I、S3..S0：控制ALU执行何种操作，详细请参阅基本运算器实验 M_nIO nRD nWR 有效期 读0 0 I/O(nIO_RD) 写I/O(nIO 0 1 _WR) 本系统上的指令译码规则： 机器码IR7..IR0 00-7FH 80-9FH A0-DFH 译码输出地址 IR_A7..IR_A0 00001，IR6..IR4 00110, IR4..IR2 00，IR6..IR2,0 1 0 T2，T3（rALU=1） T2 微地址范围 IR_A7..IR_A0 08H-0FH 30H-37H 10H-2FH 说明 B8-BFH译码为1EH E0-EFH 010,IR3..IR0,0 40H-5FH F0-F3H 04H-07H 04H-07H F8-FFH 00111,IR2..IR0 38H-3FH 指令译码电路在IR单元的CPLD中实现 本实验只使用了微控器产生的部分控制信号；除了ALU、通用寄存器R0、指令寄存器IR、指令译码电路外，还要用到IN和OUT单元,由微控器出来的信号M_nIO、nWR和 nRD三个信号控制，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码，其译码原理如下图：

读写控制逻辑

IR单元原理图

OUT单元原理图

R0

扩展区电路（辅助电路）

原

使用二位数码管显示8位数据 理

同时使用二位数码管、8个发光二极管显示8位数据

使用8个发光二极管最多显示8位数据

本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（1010 1000）、OUT（1010 1100）和HALT（1111 1111），括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下： 助记符 机器指令码 说明 IN 1010 1000 IN -> R0

图

ADD 0000 0000 R0 + R0 -> R0 OUT 1010 1100 R0 -> OUT HALT 1111 1111 停机 实验中机器指令码由开关区的拨动开关手动给出，其它控制信号由uM单元自动产生，为此实验设计的通路图如下：

数据通路图

几条机器指令对应的参考微程序流程图如下图所示。图中一个矩形方框表示一条微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的数字是该条指令的微地址，右下角的数字是该条指令的后续微地址，所有微地址均用16进制表示。向下的箭头指出了下一条要执行的指令。取指后译码，根据条件使微程序产生分支。

微程序流程图

将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码： 地HEX 高八A字21，19-12CN_I S3-S0 uM_PC7..uM_PC0 址 位 段 位 00 6F0ED001 6F 00 0 0 0000 01

08 09 0A 14 16 3F 3B0AF009 5D0AF00A 7E4AF800 7F49C000 7D09A000 7F0AF03F 3B 5D 7E 7F 7D 7F 00 00 01 01 00 00 11101101 0 0 10101111 0 0 10101111 0 0 10101111 0 0 10011100 0 0 10011010 0 0 10101111 二进制微代码表 0000 0000 1000 0000 0000 0000 09 0A 00 00 00 3F

三. 实验过程和图片

uM单元：S0、S1、S2、S3(JP1) uM单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP4) uM单元：rRi、wRi uM单元：rRdi uM单元：wIR(JP10) uM单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP2) ALU单元：IN0..7(JP22) ALU单元：ALU_D0..ALU_D7(JP25) ALU单元：iD0..iD7(JP24) IR单元：D0..D7(JP35) IR单元：IR_A0..IR_A7(JP30) IN单元：IN0..IN7(JP101) IN单元：nCS、nRD(JP100) OUT单元：nCS、nWR(JP68) OUT单元：JP69 OUT单元：JP70 DBus单元：D0..D7(JP53) —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— ALU单元：S0、S1、S2、S3(JP18) ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP19) ALU单元：rR0、wR0 ALU单元：rRd0 IR单元：wIR(JP32) CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42) iDBus单元：iD0..7(JP38) iDBus单元：iD0..7(JP37) iDBus单元：iD0..7(JP36) 开关区单元：K0..K7(JP97) uPC单元：IR_A0..IR_A7(JP12) DBus单元：D0..D7(JP52) CBus单元：IO_nCE0、nIO_RD(JP49) CBus单元：IO_nCE0、nIO_WR(JP48) DBus单元：D0..D7(JP54) 扩展区单元：JP65 扩展区单元：JP63 1、连线说明： 2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位

对实验程序的写入、校验、运行，分手动、联机两种方式。 (一) 手动方式

(1) 手动对uM进行编程（写）

①如果EXEC键上方指示灯熄灭，表示实验仪在uM、MEM编辑状态，转②；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯熄灭

②如果uM/M键上方指示灯亮，表示处于uM编辑状态，直接转③；否则，按uM/M键一次，使uM/M键上方指示灯点亮

③IN单元开关给出uM的首地址，按一次ADDR键，地址写入uPC

④IN单元开关给出该控存单元数据的低八位，按一次nWR键，将IN单元的数据写到该单元的低8位；按一次+1键，IN单元给出中八位数据，按一次nWR键，将IN单元的数据写到该单元的中8位；按一次+1键，IN单元给出高八位数据，按一次nWR键，将IN单元的数据写到该单元的高8位；按一次+1键，IN单元给出最高八位数据，按一次nWR键，将IN单元的数据写到该单元的最高8位；按一次+1键，uPC+1，准备写下一单元

⑤重复③、④四步，将微代码表的数据写入6116/2816芯片中。

(2) 手动对uM进行校验（读）

①确认EXEC键上方指示灯熄灭；uM/M键上方指示灯点亮

②IN单元开关给出uM的首地址，按一次ADDR键，地址写入uPC

③按一次nRD键，uM单元的指示灯uM7-uM0显示该单元的低八位数据；按一次+1键，按一次nRD键，uM单元的指示灯uM15-uM8显示该单元的中八位数据；按一次+1键，按一次nRD键，uM单元的指示灯uM23-uM16显示该单元的高八位数据；按一次+1键，按一次nRD键，uM单元的指示灯uM31-uM24显示该单元的最高八位数据；按一次+1键，uPC+1，准备读下一单元

④重复②、③步，完成对微代码的校验。如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。

(3) 本机运行

（1）按CON单元的nRST键一次,复位实验仪；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。

（2）在下边的各步操作中，按CON单元的uSTEP按键时，体会系统在T1、T2、T3节拍中各做的工作；如果按一次STEP键，即可单步运行一条微指令；对照微程序流程图，观察微地址uPC指示灯是否与流程一致。

（3）按CON单元的STEP按键，uM单元后续微地址uPC显示为00000001时，置开关区的K7..K0数据为10101000（A8H， IN指令），按uSTEP按键二次，在T2的下降沿，A8H写入IR中，按uSTEP按键一次，在T3时IR单元解析，uPC显示新的地址00010100，置IN单元数据为01010100（54H），连续按uSTEP按键三次，在T3下降沿，将数据54H写入R0；uPC显示01H，说明当前指令已执行完，转回取指操作；开关区的K7..K0给出00000000（00H，ADD指令），该指令将会在下个T2 下降沿，写入IR，下一步，在T1下降沿将R0中数据写入A中，再下一步，在T2下降沿将R0中数据写入B中，再下一步，在T3时刻执行加法，在T3下降沿将结果写入R0中；uPC显示01H，开关区的K7..K0给出10101100（ACH，OUT指令），并继续STEP执行，在uPC显示为01时，观查 OUT单元的显示值是否为 10101000。

(二) 联机方式 (1) 文件格式

星研集成环境软件要求微程序文件的扩展名为PuM，微程序的格式如下：

分号“;”是注释符，从分号开始到该行结束，不影响微程序、机器程序的生成。 如：$uM 5F 7F0AF05F，表示微指令的地址为5FH，微指令值为7FH(最高8位)、0AH（高8位）、F0H（中8位）、5FH（低8位）。

(2) 星研软件的使用

1、运行星研集成环境软件 启动画面如下图：

2、新建源文件

）打开窗口

下面我们建立源文件，执行 [主菜单 ? 文件 ? 新建]，（或者点击图标如下：

首先选择存放源文件的目录，输入文件名，注意：文件名后缀必须是“PuM”。本实例文件名为uM.PuM。窗口如下：

按“确定”即可。然后即出现文件编辑窗口：

输入源程序，本实例的源程序如下： $uM 00 6F0ED001 ;取指(MEM->IR)、PC+1 $uM 08 3B0AF009 ;R0->A, uPC=09 $uM 09 5D0AF00A ;R0->B, uPC=0A $uM 0A 7E4AF800 ;A+B->R0, uPC=0 $uM 14 7F49C000 ;IN->R0, uPC=0 $uM 16 7D09A000 ;R0->OUT, uPC=0 $uM 3F 7F0AF03F HALT 输入源程序，如下图：

这样一个源文件就建立好了。 3.编译文件

首先选择一个PuM源文件，然后可以编译文件了。对文件编译，如果没有错误，生成代码文件: 微程序代码文件扩展名为“uDob”。编译、连接文件的方法有如下二种：（1）使用[ 主菜单 ? 项目 ? 编译、连接 ]或[主菜单 ? 项目 ? 重新编译、连接 ]”。（2）点击图标或来“编译、连接”或“重新编译连接”。 “编译连接”与“重新编译、连接”区别：“重新编译、连接”不管源文件是否修改，对源文件编译，如果没有错误，生成代码文件（uDob文件）。编译、连接过程中产生的信息显示在信息窗的“建立”视中。编译没有错误的信息如下：

若有错误则出现如下信息框：

有错误、警告信息，用鼠标左键双击错误、警告信息或将光标移到错误、警告信息上，回车，系统自动打开对应的出错文件，并定位于出错行上。

这时用户可以作相应的修改，直到编译文件通过。

4．调试

如果编译、连接正确后，可以开始调试程序。进入调试状态方法有：

a) 执行[ 主菜单 ? 运行 ? 进入调试状态]；或点击工具条的b) 执行[ 主菜单 ? 运行 ? 装载DOB、HEX、BIN文件] 进入后的窗口如下：

在信息窗的“装载”视中，显示装载的代码文件，装载的字节数，装载完毕后，显示启始地址，结束地址。

这种船坞化的窗口比通常的窗口显示的内容更多，移动非常方便。用鼠标左键点住窗口左边或上方的标题条，移动鼠标，将窗口移到您认为合适的位置；将鼠标移到窗口的边上，鼠标的图标变成可变化窗口时的形状，用鼠标左键点住，移动鼠标，变化一个或一组窗口的大小。

在“存贮窗1”的工具条中选择“微程序”；在星研软件的工具条上“选择实验”下拉框中选择“微程序控制器实验”。

您可以使用以下命令调试您的程序：

单节拍

单节拍命令，实验仪完成一个节拍工作。 单周期 单周期命令，实验仪完成当前机器周期工作。

单步（功能键F7）

单步执行当前指令，实验仪执行完当前机器指令后停止工作。

连续单步（功能键Ctrl + F7） 连续执行“单步”，用鼠标点击或按任意键后，执行完当前机器指令后停止运行。 全速运行（功能键Ctrl + F10）

从当前地址开始全速运行用户程序。用鼠标点击，执行完当前机器指令后停止运行。

停止运行

终止微机与实验仪之间通信（功能键 ESC）。 刷新

从实验仪读回数据，刷新所有窗口。

节拍频率

可选择3Hz、30Hz、300Hz、3KHz。节拍频率越高，模型机执行越快。 使用各种运行命令，调试微程序：

点击工具条上(复位)按钮，复位实验仪；点击单节拍命令，uM单元后续微地址uPC显示为00000001时，置开关区的K7..K0数据为10101000（A8H， IN指令），执行单节拍命令，在T2的下降沿，A8H写入IR中，在T3时IR单元解析，uPC显示新的地址00010100，执行单节拍命令一次，在T1时，置IN单元数据为01010100（54H），连续执行单节拍命令，在T3下降沿，将数据54H写入R0；uPC显示01H，说明当前指令已执行完，转回取指操作；开关区的K7..K0给出00000000（00H，ADD指令），该指令将会在下个T2 下降沿，写入IR，下一步，在T1下降沿将R0中数据写入A中，再下一步，在T2下降沿将R0中数据写入B中，再下一步，执行加法，在T3下降沿将结果写入R0中；uPC显示01H，开关区的K7..K0给出10101100（ACH，OUT指令），并继续点击01时，观查 OUT单元的显示值是否为10101000。

单节拍命令执行，在uPC显示为

使用 复位命令，复位实验仪，改变IN单元的值，使用单节拍命令，对于每一条微指令，体会系统在T1、T2、T3节拍中各做的工作；对于调试过的微指令，可使用单周期命令，快速运行；对照微程序流程图，观察微地址uPC指示灯是否与流程一致；按本机运行的顺序给出数据和指令，当模型机执行到HALT指令时，观察OUT单元显示的数据是否为IN单元数据的2倍。

输入微程序的另一种方法：

在存贮器窗的“微程序”中，首先选择一个单元，输入“7F0AF000”，在信息窗的“微存贮器”标签页中同步显示数据，可以按位修改，修改完毕后，点击右边的“修改”，星研软件自动修改uM中该单元的数据，并刷新所有窗口。 通常，设计微程序，使用该方法。

四. 实验体会

在输入完成后，运行的过程中译码器无法正确译码，操作一直都是ADD指令。

原因：接线错误，写微地址的SE5..SE0无法取出正确的微地址以及判别标志p1接线错误， 无法实现地址转移。 解决方法：修正接线。

本次实验相比较上次实验而言有一定的难度,本次实验对我最大的启发是细节的重要性, 只有正确的接线,才有可能做出正确的结果。以后在接线过程中一定要细心再细心,对每一条线都认真核对。

实验六 CPU与简单模型机设计实验

一. 实验目的

(1) 了解并掌握一个基础的CPU的组成原理

(2) 在前几章介绍的各单元电路的基础上，构造一个简单模型计算机 (3) 给简单模型机设计4条机器指令，并编写每条机器指令的微指令，上机调试，掌握整机概念。

二. 实验内容

本节要实现一个简单的CPU，它包含运算器（ALU）、通用寄存器（R0）、程序计数器（PC）、地址寄存器（MAR）、指令寄存器（IR）、微程序控制器（uM）等部件，如下图：

简单CPU原理图

在这个CPU的微程序存贮器（uM）中写入微指令，就可以执行机器指令了。在此CPU的基础上，配置存贮器（用于存放机器指令）、基本的输入输出设备，就可以构建一个简单模型计算机。

本实验在第三章微程序控制器实验的基础上，加上程序计数器（PC）、地址寄存器（MAR）、存贮器MEM。PC由带预置功能的计数器（二片74HC161）、输出到地址总线三态门、输出到内部数据总线iDBus的三态门、PC显示电路组成。按下CON单元的nRst键，可以复位PC；wPC低电平，在T3的下降沿将iDBus上数据写到PC中；PC+1信号高电平，在T3的下降沿，PC+1->PC；rPC有效，在T1、T2时刻，PC数据输出到iDBus上；nPCOE有效，PC数据输出到地址总线上。

程序计数器(PC)原理图

地址寄存器(MAR)原理图

本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（1010 1000）、OUT（1010 1100）和JMP（1110 0111），括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下：

助记符 机器指令码 说明 IN 1010 1000 IN -> R0 ADD 0000 0000 R0 + R0 -> R0 OUT 1010 1100 R0 -> OUT 1110 0111 JMP addr8 addr8->PC ******** 无条件跳转指令JMP是双字节指令，11100111是指令码，********是8位二进制地址码。

微程序控制器实验的指令是通过开关区的拨动开关手动给出的，本实验由CPU通过PC单元提供8位地址、控制总线单元CBus提供存贮器读写信号nM_RD、nM_WR，从存贮器MEM单元读取指令并运行。新的数据通路图如下：

数据通路图

在数据通路图中可以看出，在微程序控制器实验的基础上增加了三个部件：MAR、PC、MEM。在微指令中需要增加相应的控制位。 微指令字长共 32位，控制位顺序如下表： 微指令格式 位 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 信号SP_nrALwPiEnd wA wB wIR rRDi rRi A字段 名 OE U SW 位 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11-8 信号CN_rPPC+nMAnPCOnINnWM_nnRD S3..S0 名 I C 1 ROE E TA R IO 位 7-0 信号uM_PC7..uM_PC0 名

A字段 23 22 选择 0 0 NOP 0 1 wRi 1 0 wPC 1 1 wMAR 其中uM_PC7..uM_PC0为8位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。 wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。 wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。 wIR:写指令寄存器IR。wIR为低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到IR。 SP_nOE:允许堆栈输出地址。SP_nOE低电平，在T1、T2、T3时刻，堆栈寄存器SP中数据输出到地址总线上。

rRDi：读通用寄存器。rRDi低电平，在T1时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上。

rRi: 读通用寄存器。rRi低电平，在T2时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上；在T3时刻，如果rALU信号为高电平，通用寄存器中数据也输出到iDBus上。

rALU：允许ALU结果输出到iDBus上。rALU低电平，在T3时刻，ALU的运算结果输出到iDBus上，这时rRi、nRD只在T2时刻有效，T3时刻让出iDBus。 wRi：写通用寄存器。wRi低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到通用寄存器中。

wPC：写PC。wPC低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到PC中。 wMAR：写地址寄存器MAR。wMAR低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到地址寄存器MAR中。

wPSW: 不允许影响标志寄存器PSW。wPSW低电平，在T3的下降沿，将ALU中当前运算结果（对标志位的影响）写入标志寄存器PSW；wPSW高电平，任何时刻，不影响PSW。例如：PUSH指令需要在压栈前，SP堆栈寄存器-1（放到ALU中运算），不允许像DEC（-1）指令一样影响标志位（PSW）。 CN_I、S3..S0：控制ALU执行何种操作，详细请参阅基本运算器实验 rPC：读PC。rPC低电平，在T1、T2时刻，PC数据输出到iDBus上。 PC+1：允许PC+1。PC+1信号高电平，在T3的下降沿，PC+1->PC。

nMAROE：允许MAR输出地址。nMAROE低电平，在T1、T2、T3时刻，MAR中数据输出到地址总线上。

nPCOE: 允许PC输出地址。nPCOE低电平，在T1、T2、T3时刻，PC中数据输出到地址总线上。

注意：nPCOE、nMAROE、SP_nOE三个信号在任意时刻只允许一个信号有效 nINTA：中断响应信号。 M_nIO nRD nWR 有效期 读1 0 1 T2，T3（rALU=1） MEM(nM_RD) 写1 1 0 T2 MEM(nM_WR) 读1 0 1 T2，T3（rALU=1） I/O(nIO_RD) 写I/O(nIO 1 1 0 T2 _WR)

本系统上的指令译码规则： 译码输出地址 微地址范围 机器码IR7..IR0 说明 IR_A7..IR_A0 IR_A7..IR_A0 00-7FH 00001，IR6..IR4 08H-0FH 80-9FH 00110, IR4..IR2 30H-37H B8-BFH译码为A0-DFH 00，IR6..IR2,0 10H-2FH 1EH E0-EFH 010,IR3..IR0,0 40H-5FH F0-F3H 04H-07H 04H-07H F8-FFH 00111,IR2..IR0 38H-3FH 指令译码电路在IR单元的CPLD中实现。 四条机器指令对应的参考微程序流程图如下图所示。取指后译码，使微程序产生分支。

微程序流程图

将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码： 地HEX 高八A字21，19-12CN_I 址 位 段 位 00 6F0ED001 6F 00 0 0 11101101 08 3B0AF009 3B 00 0 0 10101111 09 5D0AF00A 5D 00 0 0 10101111 0A 7E4AF800 7E 01 0 0 10101111 14 7F4AC000 7F 01 0 0 10101100 16 7D0AA000 7D 00 0 0 10101010 4E 7F8AD000 7F 10 0 0 10101101 二进制微代码表 地HEX 高八A字21，19-12CN_I 址 位 段 位 00 6F0ED001 6F 00 0 0 11101101 08 3B0AF009 3B 00 0 0 10101111 09 5D0AF00A 5D 00 0 0 10101111 0A 7E4AF800 7E 01 0 0 S3-S0 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 uM_PC7..uM_PC0 01 09 0A 00 00 00 00 S3-S0 0000 0000 0000 1000 uM_PC7..uM_PC0 01 09 0A 00 14 16 3F 7F49C000 7F 01 00 00 7D09A000 7D 7F0AF03F 7F 10101111 0 10011100 0 10011010 0 10101111 0 0 0 0000 0000 0000 00 00 3F 设计一段机器程序，要求从IN单元读入一个数据，存于R0，将R0和自身相加，结果存于R0，再将R0的值送OUT单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。 地址 内 容 助记符 说明 00000000 1010 1000 ;START：IN R0 ;从IN单元读入数据送

R0

00000001 0000 0000 ; ADD R0，R0 ;R0 + R0 -> R0 00000010 1010 1100 ; OUT R0 ;R0的值送OUT单元显示 00000011 1110 0111 ; JMP START ;跳转至00H地址 00000100 0000 0000

三. 实验过程和图片

1、连线说明： uM单元：S0、S1、S2、S3(JP1) —— ALU单元：S0、S1、S2、S3(JP18) uM单元：wA、wB、rALU、—— ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP4) CN_I(JP19) uM单元：rRi、wRi —— ALU单元：rR0、wR0 uM单元：rRdi ALU单元：rRd0 uM单元：wIR(JP10) —— IR单元：wIR(JP32) uM单元：M_nIO、nRD、nWR、—— CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP2) nINTA(JP42) ALU单元：IN0..7(JP22) —— iDBus单元：iD0..7(JP38) ALU单元：—— iDBus单元：iD0..7(JP37) ALU_D0..ALU_D7(JP25) ALU单元：iD0..iD7(JP24) —— iDBus单元：iD0..7(JP36) IR单元：D0..D7(JP35) —— iDBus单元：iD0..7(JP41) IR单元：IR_A0..IR_A7(JP30) —— uPC单元：IR_A0..IR_A7(JP12) IN单元：IN0..IN7(JP101) —— DBus单元：D0..D7(JP52) IN单元：nCS、nRD(JP100) —— CBus单元：IO_nCE0、nIO_RD(JP49) OUT单元：nCS、nWR(JP68) —— CBus单元：IO_nCE0、nIO_WR(JP48) OUT单元：I0..I7(JP69) —— DBus单元：D0..D7(JP54) OUT单元：OUT0..OUT7(JP70) —— 扩展区单元：JP67 MEM单元：A0..A7(JP72) —— ABus单元：A00..A07(JP56) MEM单元：D0..D7(JP73) —— DBus单元：D0..D7(JP53) MEM单元：M_nRD、—— CBus单元：nM_RD、nM_WR(JP44)

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