微程序控制器实验.docx

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1、3.2微程序控制器实验3.2.1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。3.2.2实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。3.2.3实验原理微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控 制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将 控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代 码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这 种微指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器，

2、微程序控 制器原理框图如图3-2-1所示。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时序单元来提供，分 为四拍TS1、TS2、TS3、TS4，时序单元的介绍见附录2。微程序控制器的组成见图3-2-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电 保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。 微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成，它们带有清“0”端和预 置端。在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微

3、指令地址。 当T4时刻进行测试判别时，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置 为“1”状态，完成地址修改。0 3-2-2危程序控制器原虺园在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5 （位于时序与操作台单元），可实现对 存储器（包括存储器和控制存储器）的三种操作：编程、校验、运行。考虑到对于存储器（包 括存储器和控制存储器）的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中，实验平台提供了便利的手动操作方式。以向00H单元中写入332211为例，对于控制存储器进行编辑的具体 操作步骤如下：首先将KK1拨至停止档、KK3拨至编程档、KK4拨至控存档、 KK5拨至置数档，由CON单

4、元的SD05SD00开关给出需要编辑的控存单元首地 址（000000），IN单元开关给出该控存单元数据的低8位（00010001），连续两次按动时序 与操作台单元的开关ST （第一次按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据，第 二次按动后显示当前改动的数据），此时MC单元的指示灯MA5MA0显示当前地址（000000），M7M0显示当前数据（00010001）。然后将KK5拨至加1档，IN单元 开关给出该控存单元数据的中8位（00100010），连续两次按动开关ST，完成对该控存单元 中8位数据的修改，此时MC单元的指示灯MA5MA0显示当前地址（000000），M15 M8显示当前数据（

5、00100010）；再由IN单元开关给出该控存单元数据的高 8位（00110011），连续两次按动开关ST，完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元 的指示灯 MA5 MA0显示当前地址（000000），M23 M16显示当前数据（00110011）。 此时被编辑的控存单元地址会自动加1（01H），由IN单元开关依次给出该控存单元数据的 低8位、中8位和高8位配合每次开关ST的两次按动，即可完成对后续单元的编辑。编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。以校验00H单元为例，对于控制存储器进行 校验的具体操作步骤如下：首先将KK1拨至停止档、KK3拨至校验档、KK4拨至 控存档、KK5拨至置

6、数档。由CON单元的SD05SD00开关给出需要校验的 控存单元地址（000000），连续两次按动开关ST，MC单元指示灯M7M0显示该单元 低8位数据（00010001）； KK5拨至加1档，再连续两次按动开关ST，MC单元指示 灯M15M8显示该单元中8位数据（00100010）；再连续两次按动开关ST，MC单元 指示灯M23M16显示该单元高8位数据（00110011）。再连续两次按动开关ST，地 址加1，MC单元指示灯M7M0显示01H单元低8位数据。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。* W中

7、心器TI尊示魏耶（rmiiwii :m单元WMhL(rmmHHi :W T示钿和S0Q6-5DMW?W1KK邮3邮EM|=i.叫|硕|匚KK 停止KK3 ttStKK.1I 控存邱E 加% 打-n /中毗小 in: - mimilKK-梓止.KK：1 - Hi 般-财KK5 - UH 5T - n 7L / 位于实验平台MC单元左上角一列三个指示灯MC2、MC1、MC0用来指示当前操作的微 程序字段，分别对应M23M16、M15M8、M7M0。实验平台提供了比较灵活 的手动操作方式，比如在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至减1档，则每次 随着开关ST的两次拨动操作，字节数依次从高8位到低

8、8位递减，减至低8位后，再 按动两次开关ST，微地址会自动减一，继续对下一个单元的操作。微指令字长共24位，控制位顺序如表3-2-1：耒a携指中格式2321201918-151M211-98-65-0B231E2服EDI0HS3-S0源段。字段HA5-HkO其中MA5MA0为6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译 码出多位。C字段中的P为测试字位。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，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支，本系 统上的指令译码原理如图3-2-3所示，图中I7I2为指令寄存器的第72位输出，SE5 SE0为微控器

9、单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在IR单元的INS_DEC（GAL20V8）中实现。从图3-2-2中也可以看出，微控器产生的控制信号比表3-2-1中的要多，这是因为实验的 不同，所需的控制信号也不一样，本实验只用了部分的控制信号。本实验除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器R0夕卜，还要用到IN和OUT单元，从微 控器出来的信号中只有IOM、WR和RD三个信号，所以对这两个单元的读写信号还应先 经过译码，其译码原理如图3-2-4所示。IR单元的原理图如图3-2-5所示，R0单元原理 如图3-2-7所示，IN单元的原理图见图2-1-3所示，OUT单元的原理图见图3-2-6所示。3 3-

10、2-fi OUT单元原阻园3 3-2-7 R0原理图实验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出，其余单元的控制信号均由微程序控制 器自动产生，为此可以设计出相应的数据通路图，见图3-2-8所示。几条机器指令对应的参考微程序流程图如图3-2-9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。P为测试字，根据条件使微程序产生分支。图土49徵程序流程图图顼哉据通府图fir会律州状.怀伟有今泽踞泪.$LDIRMA&. MAQCKJT*：莅

11、君存件mMi&R=:ckMCR kx xx KiNMA-sxROWf*i=rlew*fLjjROII-M)M-0UTIW-GB-XX将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码，可得到表3-2-2的二进制代码表。表*24二进制flt代码表地址十六进制高五位队suA与段H与段c与段MA5-MAW0000 00 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000 100 2 1 05QQQQQQQQQ010010QQQ00010105QI B2 01060001001on001QQQ0000013000 1 1 0 1000000

12、0000010100000001003218 30 0100011OQOOonQ00OQQ0000013328 Ol 010010100000000100000000013500 00 35QQQQQQQQQQQQQQQQQQ1101013.2.4实验步骤1.按图3-2-10所示连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。如果有滴报警声，说明 总线有竞争现象，应关闭电源，检查接线，直到错误排除。0 3-2-HI实捡推沌图2）联机读写将微程序写入文件联机软件提供了微程序下载功能，以代替手动读写微控器，但微程序得以指定的格式写入 到以TXT为后缀的文件中，微程序的格式如下：彼指分格式说明：指令代如I六进

13、耕坦址诫指母橱志如$1 1F 112233,表示微指令的地址为1FH，微指令值为11H（高）、22H （中）、33H（低），本次实验的微程序如下，其中分号；为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。（2）写入微程序用联机软件的“【转储】一【装载】”功能将该格式（*.TXT）文件装载入实验系统。装入过 程中，在软件的输出区的结果栏会显示装载信息，如当前正在装载的是机器指令还是微 指令，还剩多少条指令等。（3）校验微程序选择联机软件的【转储】一【刷新指令区T可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并 在指令区显示。检查微控器相应地址单元的数据是否和表3-2-2中的十六进制数据相同， 如果不同，则说

14、明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的微指 令，先用鼠标左键单击指令区的微存TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该 单元变为编辑框，输入6位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。；/* /；/ /；/微控器实验指令文件/； / /;/ By TangDu CO.,LTD /； / /；/* /;/* Start Of Microcontroller Data * /$M 00 000001 ; NOP$M 01 007070 ; CON（INS）-IR, P$M 04 002405 ; R0-B$M 05 04B201 ; A 加 B-R0$M 30

15、001404 ; R0-A$M 32 183001 ; IN-R0$M 33 280401 ; R0-OUT$M 35 000035 ; NOP;/* End Of MicroController Data * /3.运行微程序运行时也分两种情况：本机运行和联机运行。1）本机运行 将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为运行档，按动CON单元的CLR按钮， 将微地址寄存器（MAR）清零，同时也将指令寄存器（R）、ALU单元的暂存器A和暂存器 B清零。 将时序与操作台单元的开关KK2置为单拍档，然后按动ST按钮，体会系统在T1、 T2、T3、T4节拍中各做的工作。T2节拍微控器将后续微地址（下

16、条执行的微指令的地址） 打入微地址寄存器，当前微指令打入微指令寄存器，并产生执行部件相应的控制信号；T3、 T4节拍根据T2节拍产生的控制信号做出相应的执行动作，如果测试位有效，还要根据机 器指令及当前微地址寄存器中的内容进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，实现微程 序的分支。 按动CON单元的CLR按钮，清微地址寄存器（MAR）等，并将时序与单元的开关KK2 置为单步档。 置IN单元数据为00100011，按动ST按钮，当MC单元后续微地址显示为000001 时，在CON单元的SD27SD20模拟给出IN指令00100000并继续单步执行，当MC单 元后续微地址显示为000001时，说明

17、当前指令已执行完；在CON单元的SD27SD20给 出ADD指令00000000，该指令将会在下个T3被打入指令寄存器（IR），它将R0中的数 据和其自身相加后送R0；接下来在CON单元的SD27SD20给出OUT指令00110000并 继续单步执行，在MC单元后续微地址显示为000001时，观查OUT单元的显示值是否 为 01000110。2）联机运行联机运行时，进入软件界面，在菜单上选择【实验】一【微控器实验】，打开本实验的数据 通路图，也可以通过工具栏上的下拉框打开数据通路图，数据通路图如图3-2-8所示。将 时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为运行档，按动CON单元的总清开关后，按动 软件中单节拍按钮，当后续微地址（通路图中的MAR）为000001时，置CON单元SD27 SD20,产生相应的机器指令，该指令将会在下个T3被打入指令寄存器（IR）,在后面的节 拍中将执行这条机器指令。仔细观察每条机器指令的执行过程，体会后续微地址被强置转换 的过程，这是计算机识别和执行指令的根基。也可以打开微程序流程图，跟踪显示每条机器 指令的执行过程。按本机运行的顺序给出数据和指令，观查最后的运算结果是否正确。