微程序控制器实验报告

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微程序控制器实验

预习报告

1. 微程序控制器的组成和工作原理。

微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。其工作原理分为：一、将程序和数据通过输入设备送入存储器；二、启动运行后，从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求什么事；三、控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中；四、运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出

2．微程序、微指令、微命令之间的关系。一系列微指令的有序集合称为微程序。

在微程序控制方式之下，从控制存储器中取出，完成一个或几个微操作的命令称为微指令。

控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,通常把这种控制命令叫做微命令。

所以总的来说：微程序包含微指令，而每条微指令包含的微命令控制。

3.微指令、微程序的设计及调试。

在微程序流程图中，根据每个状态的微指令，将其进行编码，设计出所需硬件及执行效率较高的微程序控制电路，然后进行调试。

思考题：

1. 举例说明实验中出现的基本概念：微命令、微操作、微指令、微程序？微命令：控制器发出的每个控制信号，如对运算单元的控制m cn s3 s2 s1 s0发出的010101等。

微操作：由微命令控制实现的最基本的操作称为微操作。如发出运算器加运算的微命令后，运算器进行加法计算，就称为微操作。

微指令：完成一个或几个微操作的指令。如控制器进行存数据的命令后，需要有we信号有效，pc保持，来控制这些的指令即为微指令。

微程序：微程序包含微指令。如微程序流程中包括很多微指令控制，进行一些加减运算，存储数据，地址自加一等等。 2. 解释并比较微程序控制器的几种设计方法？

微序列控制器通过吧控制信号存储在一个查找Rom，(1)用水平编码生成微操作(2)用垂直编码生成微操作(3)从微代码直接产生控制信号。 3. 微程序控制器的控制对象、手段及方法？控制器如何取指令？

微程序控制器控制对象分为硬件方面和软件方面，硬件方面为数据通路的控制信号，软件方面为测试程序的控制信号。

控制器根据状态机的不同状态进行指令读取，在不同状态下取得的指令也不同。

4. 控制器的功能？如何取指令、分析指令、执行指令？

通过下址取得指令，根据控制信号进行不同信号的开启或关闭也就是分析指令，然后再在控制信号的作用下执行指令。

5. 下址的产生方法？常用的有哪些，实验中用到了哪些？

Ａ：计数器方式――在顺序执行微指令时，后续微指令地址由现行微指令加上一个增量来产生；在非顺序执行微指令时，必须在执行现行微指令后，转去执行指定后续微指令地址的下一条微指令。

Ｂ：增量方式与断定方式的结合――微指令的顺序控制字段分成两部分：条件选择字段与转移地址字段. 由这两个字段结合，当转移条件满足时，将转移地址字段作下一个微地址；若无转移要求，则直接从微程序计数器中取得下一条微指令. 一般用于微指令执行时，需要外部判断条件的场合。

Ｃ：多路转移方式――当微程序不产生分支时，后续微地址直接由微指令的顺序控制字段给出；否则有若干个后续地址可以选择，此时必须由顺序控制字段的＂判别测试＂和＂状态条件＂信息来选择其中一个微地址. 一般用于有多个转移且可以使用组合逻辑设计转移地址逻辑的场合。实验中用到了多路转移方式。

6. 每条机器指令的指令码如何与其入口微地址对应？微程序分支如何处理？

通过编码方式，将指令码的状态分成不同的几个，再运用微地址进行编码，对不同的指令码编程不同的地质，一一对应。

在不同分支出现时利用临时寄存器IR对几个分支进行编码，映射为不同状态。

7. 如何简化微程序流程图，使其ADD、AND指令在部分微指令中合并？（如AR→RAM、RAM→DR2、R5→DR1）

只对ALU部分的下址进行区分，其他部分用同样的下址即可，这样可以省去一个IR的编码状态。

8. 电路设计过程中如果出现多个状态机怎么办？

将不同状态机的控制信号进行区分，在不同控制信号作用下进行多个状态机的控制。

实验日志

11月10日

对微指令的复习和理解，明白了下址的控制方法但是对电路中P1的意义不太理解。

经过看微程序流程图，发现P1在ldir需要进行下载时有效，所以P1即为控制临时存储器IR的控制信号，该控制信号由流程图中第四步中有效，来控制IR的下址是否有效。

11月12日

编写ROM时发现P1具体为1的状态不同会出现不能强读强写，所以将P1为1改为当RAM数据传到IR时令其有效，得到正确波形。

11月18日

仿真时发现ar的第一个地址不正确，应该为00H但是却是个不是个确定的值。经分析发现第一个ar值应该为sw输入到总线上，而总线的值没有k输入，所以将k的输入设定为00H，得到的仿真结果正确。

实验报告

ＲＯＭ部分代码（只显示编码部分）：

Sw r4b r5b alu pcbus dr1 dr2 r4l r5l m cn s3 s2 s1 s0 we rd pclr pcld pcen ldar ldir p1 下址五位

\\\

\\\\\\\

\\\\\加

\\\\

\when address=\ELSE--AND5:ALU--R5 101011and \

\\\

没有加数据通路部分时的仿真波形：

波形分析：

将状态机定为单步运行状态，dp为1，qd每次进行启动。

CLR由1->0->1，清零作用使微地址A4~0为00000。执行第一个单拍，执行将输入值传给pc，得到下址00001

执行第二个单拍，执行微地址为00001的微指令，PC->AR，pc自加一，地址计数加1变为01H，得到下址00010。

执行第三个单拍，将00地址的值读出来赋给IR，在T3时序信号到来时，执行将RAM中存放的数据（指令）送到IR（指令寄存器），此处运用手动输入的方法，同时给出判别信号P及下一条微指令的地址01000，在T4有效时，P1 为1，IR7，IR6，IR5可以手动输入010将微地址改为01010，产生下条微指令的地址。然后即可进入STA指令操作。

然后下址为10111，开始执行RAM-〉ＡＲ操作。从其他输出信号看产生的输出也是正确的。

下一个操作进行强读信号的执行。在之前将ＣＬＲ信号置为０，进行清零才行，得到０００００地址。然后将ＫＲＤ信号从１到０再到１，使得ａ[３]强置数为１，可以将地址从０００００变为０１０００，该地址产生下址１００１１，即为强读控制信号。

加入数据通路部分进行仿真：

说明：数据通路加上后应该修改部分控制信号，以满足状态机在不同状态下控制ar，alu，pc等的正确执行。修改如下：

T2时刻由于要将RAM的数据送出，同时dr1或者dr2得到数据，然后进行逻辑或算术运算，故RAMclk应该有效，lddr及lddr2有效。

T3时刻将地址送入ar或将dr1及dr2的运算结果存入R4或R5，故lddr4和lddr5有效，ar的clk有效。波形如下：

波形分析：（125为显示电路时钟信号，a|g为七段译码器各管，Eq为四个驱动灯控制信号，此处不做讨论）

1、初始状态clr为0，将a[4..0]清零，然后将qd从1变为0再到1，dp定为

1，使状态机进入单步运行状态（或者qd一直为1，为连续循环运行状态）。

可以看出t的变化从0000到1000循环。

2、随着一个单步周期a从00001到00010变化。200ns到300ns，pc变为101

置数状态，将sw-->pc执行。