计算机组成原理实验4微程序控制实验

一、实验学时
4学时
二、实验目的
（1）掌握微程序控制器的工作原理和组成结构；
（2）掌握微程序的编写、输入方法，观察微程序的执行过程。
三、实验环境
硬件资源：PC机或笔记本电脑，康芯实验箱；软件资源：Quartus17.1设计平台。
四、实验原理
（1）微程序控制器基本思想
微程序控制器是以保存在只读存储器内的专用程序代替逻辑控制电路。这种只读存储器被称为控制存储器，它以微程序形式保存微控制信号。这种控制器就称为微程序控制器。其主要优点是能实现灵活可变的计算机指令系统。微程序控制的设计思想与早期的组合逻辑的设计思想相比，具有规范性、灵活性、逻辑结构简单和可维护性等许多优点。因而在计算机设计中逐渐取代了早期采用的组合逻辑设计思想，并得到广泛的应用。在计算机系统设计中，微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。
（2）微程序控制器基本结构
微程序控制的基本结构如图4.1所示。

图4.1微程序控制器基本结构
能完成微程序控制的逻辑模块即微程序控制器，微程序控制器主要由控制存储器uROM（即微程序存储器）、微指令寄存器和微指令地址形成部件3个部分组成。控制存储器用以存放CPU指令系统所对应的全部微程序。
（3）控制存储器设参考计
从控制存储器中取出一条“取指令”用的微指令，送到微指令寄存器中。这是一条公用的微指令，一般可存放在控制存储器的0号或1号地址单元。微命令字段产生相关的控制信号，从主存中读取指令，送到指令寄存器IR中（按PC指向取指令），完成了取指令的任务。控制存储器设计如图4.2所示。

图4.2 控制存储器
（4）微地址形成电路参考设计
从图4.1可以看出，微地址分支转移控制电路为控制存储器提供地址信号。微地址控制电路根据来自指令寄存器IR的控制指令操作码IR[7…4]、控制台的控制信号SWA和SWB、分支转移条件控制标志P[4…1]和状态标志FC与FZ，生成下一个微地址的控制信号uA[5…0]，控制微程序按正常顺序执行微指令或者实现分支转移。微地址形成电路，如图4.3所示。

图4.3 分支转移控制电路原理图

图4.4 完整微指令模型机电路原理图

（5）微指令格式设计
计算机系统中，CPU中集成了运算器ALU、多个通用寄存器GPR、计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR等硬件资源，它们是为实现指令的功能，包括从存储器中取指令和执行指令服务的。因此，微指令设计时，应考虑控制这些硬件资源的控制信号。数据通路参考电路，如图4.5所示。

图4.5 数据通路电路
相关控制信号说明：ALU的选通信号ALU_BUS；PC的选通信号PC_BUS；RAM8的选通信号RAM_BUS；地址寄存器AR的锁存信号LDAR；存储器RAM8的写使能WR=1允许写，WR=0禁止写，允许读；读写脉冲T1；程序计数器PC的锁存信号LDPC；指令寄存器IR的锁存信号LDIR。
本实验微指令采用水平型微指令编码格式，共32位，由操作控制字段和顺序控制字段组成，顺序控制字段分为测试字段和下地址字段，微指令格式如下表所示。

M31：保留
M30：保留
M29：CN，最低进位控制信号。
M28：M，算术还是逻辑运算控制信号。
M27-M24：S3S2S1S0，ALU运算控制信号。
M23：PC_B，程序计数器到数据总线控制信号。
M22：LDPC，将程序地址打入程序计数器PC控制信号。1
M21：PCINC，程序计数器PC自增1控制信号。1
M20：LDAR，将地址打入地址寄存器控制信号。1
M19：LDIR，将指令打入指令寄存器控制信号。1
M18：STOP，停止程序运行控制信号。
M17：LDRI，写寄存器控制信号。
M16：WREN，RAM存储器读写控制信号，高电平写，低电平读。
M15：保留
M14：保留
M13：RAM_B，存储器单元到数据总线控制信号。1
M12：ALU_B，ALU运算结果释放到数据总线控制信号。
M11：SW_B，按键输入数据到数据总线控制信号。
M10：DO_B，数据总线到输出设备控制信号。
M9-M6: 是4个测试位，P3P2P1P0。P0、P1、P2和P3的作用如下表所示：

M5-M0：是后继微地址NuA5-NuA0。
五、实验结果
取指周期微程序的编码。在实验1、实验2和实验3工作的基础上，读懂图4.4电路的构成及其工作原理，根据下表列出的取指周期的微操作，结合微指令格式，给出取指周期的微命令和微指令的编码。0000 0000 1011 1000 0010 0000 1000 0000

本实验仿真波形如图4.6所示。其中，IN等是输入信号，CLK等是控制信号，BUS、IR等是输出信号，仿真波形的正确性在康芯实验箱上得到了验证。

图4.6 仿真波形图

六、实验讨论与总结