一、 实验目的
1. 掌握微程序控制器的工作原理。
2. 定义五条机器指令，并为其编制相应的微程序，掌握微程序的编制、写入 的方法，观察微程序的运行，理解指令的执行流程。 二、 实验设备
1 、TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台 2、排线若干 三、 实验内容 1.实验原理
在前面四个实验中，所有的控制信号是人为用开关单元产生的， 但是在实际 的CPU中，所有的控制信号都是由CPU自动产生的。所以在本次实验中用微程序 来控制，自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数 据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令 执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成， 一段微程序。
本实验设计了五条机器指令，其指令格式如下： 助记符 IN
机器指令码 00000000
说明
;输入，“INPUT 设备中的开关状态— R0
即一条机器指令对应
ADD addr 00010000 XXXXXXXX 二进制加法，R0+[ add门—R0 STA addr
OUT addr JMP addr
00100000 XXXXXXX；存数，R0^[ addr ] 00110000 XXXXXXX；输出，[add门—BUS 01000000 XXXXXXX；无条件转移，addr—PC
机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令， XXXXXXX为addr对应的二进制地址码。
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还 必须设计三个控制台操作微程序。
存储器读操作（READ：拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA为“ 00” 时，
按START微动开关，可对RAM!续手动读操作。
存储器写操作（WRITE：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB SWA设置 为“01”时，按START微动开关可对RAM1行连续手动写入。
启动程序（RUN：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWBSWA设置为“11” 时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。
上述三条控制台指令用两个开关 SWB SWA勺状态来设置，其定义如下：
SWB 0 0
SWA 0 1 1 控制台命令 读内存（READ 写内存（WRITE 启动程序运行（RUN 1 根据以上要求设计数据通路框图，如图 5-1。
WE
SW-G
图5-1数据通路框图
实验所用的时序电路内部线路已经连好 （时序电路的CLR已接到实验板中下 方的CLR清零开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接即可。
（1）微程序控制电路
微程序控制器中控制存储器采用 3片2816的E2PR0M具有掉电保护功能。 微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D （74LS175）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（74LS74）组成，它 们带有清“ 0”端和置“ 1”端。在不进行判别测试的情况下，T2时刻打入微地 址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当
T4时刻进行判别测试时，转移逻辑
1”状态，完成地址
满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器设置为“ 修改。
在该实验电路中，在控制台单元有一个编程开关，它具有三种状态： PROM
（编程）、REA（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者可根据微 地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器
2816中。当处于“校
验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证， 从而可以判断写 入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地 址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。 图中微地址寄存器输出端增加了一 组三态门74LS245目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微 地址显示灯。
（2）微指令格式
微指令字长24位，其控制位顺序如表5-1所示。
其中uA5 — uA0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Pl 一 P4是四个测试字位。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，从而实现微程序 的顺序、分支、循环运行。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其 为零有效。B字段中的RS-B RD-B RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存 器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存 器R0 R1及R2的选通译码。
表5-1 微指令结构图
微程序 控制信号 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 S3 S2 S1 SO M CN WE A9 A8 A B C 6 5 4 3 2 1 uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uAO A字段 B字段 15 14 13 控制信号 12 11 10 控制信号 9 8 C字段 7 控制信号
0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 LDRI LDDR1 LDDR2 LDIR LOAD LDAR 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 r 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 RS B RD B RI B 299 B ALU B PC B 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 P1 P2 P3 P4 AR LDPC A9 0 0 1 1 A8 0 1 0 1 控制信号 Y0 Y1 Y2 Y3 系统涉及到的微程序流程见图5-2，当拟定“取指令”微指令时，该微指令 的判别测试字段为P1测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用 微指令，因此P1的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高
4位（IR7
—IR4操作码）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。
控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWBSWA乍为测试条件，出现了 3 路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方 就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。
当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表
5-2即为将图5-2
的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。
微地址 S3 S2 S1 S0 M CN 表5-2 二进制代码表
WE A9 A8 A B C uA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA0 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 10 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 [ 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 [ 1 0 I 1 0 1 1 : 1 1 I 1 0 1 1 1 0 I 0 1 0 0 1 1 I 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ' 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1. 0 0 110 1； 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1110 0 10 110 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 10 10 1 0 10 0 10 0 10 10 0 0 10 111 0 0 0 0 0 1： 0 110 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 ' 运行
F
图5-2微程序流程图
(3) 本实验设计机器指令程序如下(机器码和地址为十六进制数据)
地址 内容 助记符 说明
00
00 IN
;输入开关数据-R0,采集数据
01
01 02 03 04 05 06 07 08 0A
10
ADD [0AH] ;R0+ [0AH] - R0,输入数据与指定数据相加
;地址
STA [0BH] ;R(— [0B]
0A 20 0B 30
;地址
OUT [0BH] ;[0BH] — BUS输出显示
;地址
JMP [00H] ;00FRPC
0B 40 00
;跳转地址 ;加数，可自定
01
0B
;求和结果保存在0B单兀
本程序从输入设备（数码开关）读入数据，与 0A单元的数据相加，然后送 到输出设备（二进制代码开关）进行显示。本程序不断地循环运行，在运行中可 改变输入开关的值，观察输出显示的变化。 2.实验步骤
（1） 按图5-3连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。 （2） 观察微程序控制器的工作原理：
① 编程 A、
将控制台单元的编程开关设置为 PROM编程）状态。
B、 将实验板上“信号源单元”中的“ STEP设置为“ STEP，“STOP设置 为“ RUN状态。SWITCH UNIT的开关CLR置为高电平。
C、 用开关单元的二进制模拟开关设置微地址 MA— MA0
D在微控制器单元的开关 MK2— MK01上设置微代码，24位开关对应24位 显示灯，开关量为“ 0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。
E、 启动时序电路（按动控制台单元 的“ START触动开关），即将微代码 写入到WPR0M 2816勺相应地址对应的单元中。
F、 重复C- E步骤，将表5-2的微代码写入2816。 ② 校验
A、 将控制台单元的编程开关设置为 READ（校验）状态。
B、 将实验板“信号源单元”中的“STEP开关设置为“STEP状态，“STOP
开关设置为“ RUN状态。
C、用开关单元的二进制开关设置要检验的微地址 MA— MAQ
D 按动控制台单元的“ START触动开关，启动时序电路，读出微代码， 观察微控制器单元的显示灯 MD2牛MD01的状态（灯亮为“ 0”，灭为“ 1”），检查 读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于“ 重新执行（1）即可。
③ 单步运行
A、 将控制台单元的编程开关STOPS于“ RUN（运行）”状态。
B、 将实验板“信号源单元”中的“STEP开关设置为“STEP状态，“STOP 开关设置为“ RUN状态。
C、 操作开关单元的CLR开关，使CLR信号状态依次为1-0-1,将微地址 寄存器MA5-MA0青零，从而明确本机的运行入口微地址为 000000 （二进制）。
D 按动控制台单元的“ START触动开关，启动时序电路，则每按动一次 “START键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令 显示灯将显示所读出的一条指令。
注：在当前条件下，可将“MICRO-CONTROLLER元的SE6-SE1接至“SWITCH UNIT'单元中的S3-Cn对应二进制开关上，可通过强置端 SE6-SE1人为设置分 支地址。首先将SE6-SE1对应二进制开关设置为“ 1”，当需要人为设置分支地 址时，将需要改变的某个或几个二进制开关设置 “0”，相应的微地址位即被强置 为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开关设置为“ 0”，相应的微地 址位将被强置为“1”）。
④ 连续运行
A、将编程开关“ STOP开关设置为“ RUN（运行）”状态。 B将实验板“信号源单元”中的“ STEP开关设置为“ EXEC状态。
C、使CLR信号状态依次为1-0-1,将微地址寄存器 MA5-MA清零，从而 给出取指微指令的入口微地址为 000000 （二进制）。
D启动时序电路，则可连续读出微程序。
PROM编程状态，
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