计算机组成原理课程设计

1. 计算机组成原理课程设计 脱机方式下微码装入及执行

2. 实验六 脱机方式下微码装入及执行 • 一、相关单元介绍 Clock Unit, Ins Unit, Manual Unit, Main Control Unit, ALU Unit, Reg Unit, Address Unit, Input/Output Device, Mem Unit

3. Main Control Unit

4. ① 控制存储器CM • CM由3片2816（2K×8位）组成，存放24位的微指令。3片2816的高位地址A10～A7均接地，因此，控存的实际容量为128×24位，即可以存放128条微指令。

5. ① 控制存储器CM • 控存的地址端接有7个微地址显示灯，控存的地址 • 可以由微地址锁存器µAR提供（手动“编程PROM”或“校验READ”状态下）； • 也可以由后继微地址修改逻辑来提供（“运行RUN”状态下），或者由PC机控制送出（联机状态下）。 • 控存中的24位微码，高16位送微指令寄存器µIR保存并译码，低7位（下址字段）送散转逻辑电路。

6. 微控器逻辑框图

7. ② 微地址锁存器µAR • µAR由一片74LS374（8位锁存器）构成，用于锁存手动操作时由开关拨入的微地址MA6～MA0，并提供给控存。 • µAR的输入端以排针的形式引出，标记为MA6～MA0，用以连接手动单元（MANUAL UNIT）的开关；输出端接至控存的地址输入端；但µAR的输出使能OE#则同样由GAL芯片控制产生。

8. ③ 微指令寄存器µIR • 微指令寄存器µIR的功能是存放从控存CM中读出的高16位的微码M23～M8（低7位M6～M0是下址字段，M7为空） • µIR由两片74LS273（8位寄存器）组成的。 • 清零端CLR#接CLR开关，在总清时µIR清零。 • 数据输入端接控存CM的数据I/O端； • 数据输出端，一面以排针M13～M8的形式直接引出，另一面，M23～M14另送微指令译码器进行译码。M23～M0的定义参见3.5.3微指令的格式一节。

9. ④ 微指令译码器 • 微指令译码器由两片74LS138和两片GAL芯片组成，其功能是根据微指令的格式及各字段的定义，将µIR送来的编码字段进行译码，产生全机所需要的各种微操作控制信号，以实现该条微指令功能。

10. ⑤ 控存地址寄存器CMAR • CMAR功能是：由输入信号SE6#～SE0#控制修改当前微指令的下址字段M6～M0（即MA6～MA0），以产生即后继微地址。 • CMAR由四片74LS74（2位带清零预置端的寄存器）和一片74LS245（8位三态缓冲器）连接而成，四片74LS74的清零端均接CLR开关，预置端则分别接自输入信号SE6#～SE0#，因为预置端低电平有效，所以当SEi#=0时，相应的Mi即MAi被置1。

11. ⑤ 控存地址寄存器CMAR • 四片74LS74的输入端接控存CM的数据输出端的最低7位M6～M0，经过预置端SE6#～SE0#的修改，形成输出信号MA6～MA0，连接至三态缓冲器（74LS245）的输入，输出则作为后继微地址送至控存2816的地址输入端，以寻址下条微指令。三态门74LS245的使能信号E#由编程开关的控制电路产生。

12. ⑥ 开关与显示灯 • 微控器单元包含有一组逻辑开关和两组发光二极管显示灯： • 微代码输入开关MK23～MK0：通过三片三态缓冲器74LS245（8位）接在控存的数据总线上，用于手动拨入24位微码。三态门74LS245的DIR接地，即数据传送B到A；其使能信号E# 则由编程开关的控制电路产生，控制三态门的打开和关闭。

13. ⑥ 开关与显示灯 • 微地址输入开关MAK6～MAK0：通过微地址锁存器74LS 374接控存的地址线MA6～MA0。 • 微代码显示灯MD23～MD0：经驱动接控存的数据总线上，用于指示当前读出的微指令的24位微码。 • 微地址显示灯MA6～MA0：经驱动接控存的地址线，用于指示下条微指令的7位微地址（修改过的后继微地址）。

14. ⑦ 编程开关及控制电路 • 微控器单元设有一个编程开关，它有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。根据编程开关的状态，控制电路产生本单元中各芯片的控制或使能信号，来实现各种不同的手动和联机操作。 • 编程开关处于编程状态“PROM”时： • 可以实现手动输入微码。 • 编程开关处于校验状态“READ”时： • 可以实现手动校验微码。

15. ⑦ 编程开关及控制电路 • 编程开关处于运行状态“RUN”时： • 可以实现运行微程序。此时，控存执行的是读操作，控存的地址是由后继微地址修改逻辑提供的，控存的数据则一面由24位的微代码显示灯显示输出，一面在时钟控制下送至µIR并译码产生微操作控制信号。

16. ⑦ 编程开关及控制电路 • 因此，在“RUN”状态下 • 微地址锁存器µAR（374）的输出无效（输出使能信号OE#=1） • 微代码输入开关的三态门（245）关闭（使能信号E#=1） • 后续微地址三态门（245）打开（使能信号E#=0） • 控存（2816）读有效（片选CS#=0，输出使能OE#=0，写使能WE#=1）。 • 此时，若启动时序电路，即可从微地址显示灯所指示的微地址开始向下运行。

17. 二、微指令格式

18. 三、实验原理 • 微控器单元（MAIN CONTROL UNIT）、时序电路单元（CLOCK UNIT）。 • 通过微控器单元中的编程开关（三个状态）来控制实现微码装入、校验、执行。微码装入与校验时的微地址，由手动单元（MANUAL UNIT）的开关拨入（经排线连接）。

22. 四、实验接线 • 时序电路单元（CLOCK UNIT）中的T1～T4信号，必须送至MAIN CONTROL UNIT的T1～T4（通过排线），其它各个单元使用的时序信号T1～T4均已和MAIN CONTROL UNIT的T1～T4连好。

23. 五、实验步骤 • 装入微码。 • 方法一：脱机手工装入。 • 将微控器单元（MAIN CONTROL UNIT）右上角的编程开关置于“PROG”状态。 • 将时序电路单元（CLOCK UNIT）中的RUN#/STEP开关置于“STEP”状态。 • 从手动单元（MANUAL UNIT）中的开关“MA6～MA0”上拨入微地址MA6～MA0。

24. 五、实验步骤 • 从微代码开关MK23～MK0上拨入微代码，24位开关对应着24位显示灯（灯亮表示“1”，灯灭表示“0”）。 • 按动START按键，启动时序，即将24位微代码写入到控存（2816）的相应单元（由微地址MA6～MA0所指定）中。 • 重复步骤①～⑤，即可将微指令代码一条条装入控存。 • 方法二：联机装入。

25. 五、实验步骤 • 校验微码。 • 方法一：手动校验。 • 将编程开关置于“READ”状态。 • 将时序电路单元（CLOCK UNIT）中的RUN#/STEP开关置于“STEP”状态。 • 从手动单元（MANUAL UNIT）中的开关“MA6～MA0”上拨入微地址MA6～MA0。

26. 五、实验步骤 • 按动START按键，启动时序，读出微代码，观察显示灯MD23～MD0的状态（灯亮表示“1”，灯灭表示“0”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将编程开关重新置于“PROG”状态，再执行操作3，装入正确的微代码即可。 • 重复步骤①～④，即可校验每一条微指令代码。

27. 五、实验步骤 • 执行微程序。 • 方法一：单步运行。 • 将编程开关置于“RUN”状态。 • 将时序电路单元（CLOCK UNIT）中的RUN#/STEP开关置于“STEP”状态。

28. 五、实验步骤 • 操作CLR开关（在实验板的右下角），使CLR信号“1→0→1”，从而使微地址MA6～MA0清零，即本机的微程序运行入口为0000000B（00H）。 • 按动START按键，启动时序电路，每按动一次START按键，即读出（执行）一条微指令代码，然后停机。此时，实验台上的微地址显示灯MA6～MA0和微代码显示灯MD23～MD0的状态（灯亮表示“1”，灯灭表示“0”）指示所读出的微指令的地址和代码。

29. 五、实验步骤 • 执行微程序。 • 方法二：连续运行。 • 将编程开关置于“RUN”状态。 • 将时序电路单元（CLOCK UNIT）中的RUN#/STEP开关置于“RUN”状态。 • 操作CLR开关，使CLR信号“1→0→1”，从而使微程序运行入口为00H。 • 按动START按键，启动时序电路，则可以连续读出（执行）微指令代码。 • 片刻之后，将RUN#/STEP开关置于“STEP”状态，即可停机。

30. 六、实验要求 • 1、将微码表中的微代码全部装入控存并校验。 • 2、从零地址开始执行微程序，观察并记录微地址的变化顺序，解释为什么。 • 3、观察微地址显示灯MA6～MA0和微代码显示灯MD23～MD0的最低7位MD6～MD0状态是否始终保持一致？从理论上讲，是否应该这样？分析为什么。 • 4、若要强制使微程序从07H单元开始执行，请结合微控器的结构和原理，说明你的方法，并实现。（提示：使用控制信号SE6#～SE0#来实现）