计算机组成原理实验四 微程序控制器实验报告
我班算是几乎最后一个做实验的班级了，报告参考了一些朋友提供的数据加上一些自己的主观拙见，本人水平有限加之制作仓促难免有错误，望大家批评指正。
4.1 微程序控制器实验
一、实验目的
实验原理
- 微程序控制器根本的任务是完成指令的翻译和执行，执行方法就是将指命令进行编码 并储存在控制存储器里。
- 微程序控制器是时序逻辑严格的按照节拍来完成相应的操作，本实验用到的节拍是TS1-TS4.
- 实验设有一组编程控制开关 （位于时序与操作台）可实现对存储器的编程校验和运行具体的使用方法如下:
手动输入方法
这一步 只是为了模拟一下输入的步骤 也可以直接文件导入
eg:向332211
M(00H) 数据的写入操作 操作思路：分为中低高三路进行编程
-
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 单元的 SD15——SD10 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）也就是11
连续 两次按动时序与操作台单元的开关ST（一定要是两次）explain: 按动ST之后 (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 MA5——MA0 显示当前地址（000000），M7——M0 显示当前数据（00010001）。输入:以下演示同上方低八位相同 但是一些小细节需要注意：被编辑的单元在三路都被修改之后控存单元CU会自动加一
- 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 MA5——MA0 显示当前地址（000000），M15——M8 显示当前数据（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。
校验输入：
- 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‘置数’档。
- 由 CON 单元的 SD15——SD10 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 M7——M0 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 M15——M8 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 M23——M16 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 M7——M0 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。
对字段进行平行操作
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 M23——M16、M15——M8、M7——M0。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 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。
文件输入方法
转储->在sample中选择文件
二、实验预习
1、阅读实验指导书，然后回答问题。
(1) 微指令字长共 24 位，控制位顺序如表 4-1-1：
其中 MA5…MA0 为 6 位的（ 后续微地址），A、B、C 为三个（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<1>为（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 4-1-3 所示，图中 I7…I2 为指令寄存器的第 7…2 位输出，SE5…SE0 为微控器单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在控制器单元的INS_DEC 中实现。
个人感觉译码方式是直接译码，经过译码器的翻译编程控制信号
(2)本实验安排了四条机器指令，分别为 ADD（0000 0000）、IN（0010 0000）、 OUT（0011 0000）和 HLT（0101 0000）。 括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下，请补充说明部分。
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，
- 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<1>为测试字，根据条件使微程序产生分支。
实验步骤
连线
首先将指令输入，可以手动也可以导入文件，这里建议直接导入文件比较方便，按照指导书 的操作进行，可以选择单步或者单拍个人感觉单拍的效果比较好。
实验过程讲解和部分操作
如上方流程图所示，首先 刷新电路 初始化 IR初始化为00 经过译码之后为30，单步运行是通过按ST按钮来形成的。
这里译码的原理大家可以简单查阅资料和查看电路来了解：这里就是进行了一个强转，将转换成MAR的01 进行一个分支判断，类似于一个for循环 ，此时需要等待用户输入指令，这里的指令在上方已经显示比如30是一个存数指令，每一条微指令执行完之后都会把下地址传送给CMAR，除了停机指令，下地址都是01回到循环判断的地方，在IN单元输入加数（如23H）要转换为二进制
- 首先输入32然后，在IN单元输入数据，多次按动ST直到观察到IN单元的数据传入R0单元并且节拍为T4的时候输入下一条指令， 此时下地址在CMAR显示01
- 输入30，看到R0分别把数据送到A B寄存器，并且经过ALU的运算最后的结果送给R0，并且T4的时刻等待用户输入下一条指令。 此时下地址在CMAR显示01
- 此时输入IR的值是33，将R0的值送到OUT显示，不断按动ST当发现OUT的值显示46，并且T4时候输入下条指令 此时下地址在CMAR显示01
- 输入35 直到下地址也是35 表示循环结束 不能进行跳转了 如果重新运行需要按动CLTR刷新电路。
- 最后jmp到00这个位置
IN输入位置
译码的过程是一个电路屏蔽强转的过程。
查看sample文件可以找到微程序存储和主存储的对应关系
//***** Start Of Main Memory Data *****// 这里是主存中的地址和对应的指令
$P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0
$P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0
$P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示
$P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址
$P 04 00 ;
$P 05 50 ; HLT 停机
; //***** End Of Main Memory Data *****//
; //** Start Of MicroController Data **//控存的地址和对应的指令
$M 00 000001 ; NOP
$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1
$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>
$M 04 002405 ; R0->B
$M 05 04B201 ; A加B->R0
$M 1D 105141 ; MEM->PC
$M 30 001404 ; R0->A
$M 32 183001 ; IN->R0
$M 33 280401 ; R0->OUT
$M 35 000035 ; NOP
$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1
; //** End Of MicroController Data **//
实验记录
（一）本机运行
1、按照实验指导书的步骤完成操作，并填写表格。
表4-1 程序运行过程
| 机器指令 |
机器 指令码 |
微指令 |
||||||||
| 地址 |
下地址 |
高五位 |
S3-S0 |
A 字段 |
B 字段 |
C 字 段 |
MA5-MA0 |
|||
| IN |
0010 0000 |
00 |
000001 |
00000 |
0000 |
000 |
000 |
000 |
000001 |
|
| 01 |
110100 |
00000 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 32 |
000001 |
00011 |
0000 |
011 |
000 |
000 |
000001 |
|||
| ADD |
0000 0000 |
01 |
110000 |
00000 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|
| 30 |
000100 |
00000 |
0000 |
001 |
010 |
000 |
000100 |
|||
| 04 |
000101 |
00000 |
0000 |
010 |
010 |
000 |
000101 |
|||
| 05 |
000001 |
00000 |
1001 |
011 |
001 |
000 |
000001 |
|||
| OUT |
0011 0000 |
01 |
110011 |
00000 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|
| 33 |
0000001 |
00101 |
0000 |
000 |
010 |
000 |
000001 |
|||
| HLT |
0101 0000 |
01 |
110101 |
00000 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|
| 35 |
110101 |
00000 |
0000 |
000 |
000 |
000 |
110101 |
|||
通过IN单元输入的值为（00100011 ），运行结束后，通过OUT单元输出的值为（ 01000110）
写出连续执行四条机器指令（IN-ADD-OUT-HLT）程序的每条微指令的下地址执行顺序
000000→000001→（000000）→（000001）→（110000）→000001→（110010）→000001→（000001）→000001→（110000）
思考题：机器指令30H（即OUT指令）执行时，观察寄存器R0中的数据何时送入OUT单元？受哪些信号影响？
直接看时序图和数据流图：T3时刻上升沿送入OUT单位 受时钟信号、WR信号、IOM信号、R0_B信号影响。
4.2 CPU 与简单模型机设计实验
一、实验目的
(1） 掌握一个简单 CPU 的组成原理。
（2） 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。
（3） 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。
二.实验预习
(1)实验4-2在4-1微程序控制器实验的基础上增加了三个部件，一是（PC ），另一个是（ AR ），还有就是 （MEM），因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式 如表4-2-1所示：
表 4-2-1 微指令格式
2.简述微指令与4-1中微指令控制位有哪些不同？
A字段增加101 控制LOAD信号，用来控制主存 和110 控制LDAR信号 控制地址寄存器AR
B字段增加110 控制 PC_B信号 控制PC输出
C字段增加101 控制LDPC信号 控制PC输入
实验过程类似第一个实验但是这个的指令不需要用户手动输入 是写入到程序中自动完成 冯诺伊曼的存储程序
实验先选择响应的模型机并且导入数据，可以在查看->指令查看指令的地址，不断点击ST观察程序运行中的数据流情况，首先PC的值默认是00 然后+1，配合上方的流程图分析指令和数据以及机器是怎么配合的。
- PC->MAR 1->R 传地址
- PC+1=1 M(MAR)->IR(观察IR的变化) 取指令
- OP(IR)->ID 译码 并传导信号
- AD(IR)->MAR
- M(MAR)->MDR->R0
- 加法操作 此处的微操作省略
- 将结果给R0并输出显示 实验就成功了
此外 也可以点击右键观察数据流 按动ST 观察流动过程
三.实验原始记录
按照实验指导书的步骤完成操作，并填写表格。
表4-1 程序运行过程
| 机器指令 |
MEM地址 |
机器 指令码 |
微指令 |
|||||||
| 地址 |
下地址 |
高五位 |
S3-S0 |
A字段 |
B 字段 |
C 字 段 |
MA5-MA0 |
|||
| IN |
00 |
20 |
00 |
000001 |
00000 |
0000 |
000 |
000 |
000 |
000001 |
| 01 |
000011 |
00000 |
0000 |
110 |
000 |
101 |
000011 |
|||
| 03 |
110010 |
00010 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 32 |
000001 |
00011 |
0000 |
011 |
000 |
000 |
000001 |
|||
| ADD |
01 |
00 |
01 |
000011 |
00000 |
0000 |
110 |
000 |
101 |
000011 |
| 03 |
110000 |
00010 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 30 |
000100 |
00000 |
0000 |
001 |
010 |
000 |
000100 |
|||
| 04 |
000101 |
00000 |
0000 |
010 |
010 |
000 |
000101 |
|||
| 05 |
000001 |
00000 |
1001 |
011 |
001 |
000 |
000001 |
|||
| OUT |
02 |
30 |
01 |
000011 |
00000 |
0000 |
110 |
000 |
101 |
000011 |
| 03 |
110011 |
00010 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 33 |
000001 |
00101 |
0000 |
000 |
010 |
000 |
000001 |
|||
| JMP addr |
03 04 |
E0 00 |
01 |
000011 |
00000 |
0000 |
110 |
000 |
101 |
000011 |
| 03 |
111100 |
00010 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 3C |
011101 |
00000 |
0000 |
110 |
110 |
101 |
011101 |
|||
| 1D |
000001 |
00000 |
0000 |
101 |
000 |
101 |
000001 |
|||
| HLT |
05 |
50 |
01 |
000011 |
00000 |
0000 |
110 |
000 |
101 |
000011 |
| 03 |
110101 |
00010 |
0000 |
111 |
000 |
001 |
110000 |
|||
| 35 |
110101 |
00000 |
0000 |
000 |
000 |
000 |
110101 |
|||
通过IN单元输入的值为（00100011 ），运行结束后，通过OUT单元输出的值为（01000110 ）
思考题：指导书给出的程序中，跳转到了START，即地址00，程序将循环执行前四条指令，那么能否实现停机操作？试通过改写程序代码完成停机（将机器指令列出即可，不需要实现）。
.00000000 00100000 ; START: IN R0 从 IN 单元读入数据送 R0
00000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送 R0
00000010 00110000 ; OUT R0 R0 的值送 OUT 单元显示
00000011 11100000 ; JMP START 跳转至 00H 地址
00000100 00000000 ;
00000101 01010000 ; HLT
参考资料
计算机组成原理实验之微程序控制器实验_weixin_34279579的博客-CSDN博客
(1条消息) 计算机组成原理实验：微程序控制实验_微程序控制器实验_海轰Pro的博客-CSDN博客
计算机组成原理 微程序控制器实验_Long_UP-DevPress官方社区 (csdn.net)