机器指令执行
实验四 微程序控制器设计实验
一、实验目的
(1)掌握时序产生器的组成原理。 (2)掌握微程序控制器的组成原理。 (3)加深理解微指令与机器指令的关系。
二、实验电路
1.时序发生器
TEC-4计算机组成原理实验系统的时序电路如图6所示。
图6 时序信号发生器图
电路采用2片GAL22V10(U6,U7),可产生两级等间隔时序信号T1-T4和W1-W4,其中一个W由一轮T1-T4循环组成,它相当于一个微指令周期或硬联线控制器的一拍,而一轮W1-W4循环可供硬联线控制器执行一条机器指令。
本实验不涉及硬联线控制器。微程序控制器只使用时序信号T1-T4,产生T信号的功能集成在GAL22VlO芯片TIMER1(U6)中,另外它还产生节拍信号W1、W2、W3、W4的控制时钟CLK1。
TIMER1的输入信号中,MF接实验台上晶体振荡器的输出,频率为1MHz。T1至T4的脉冲宽度为100ns。CLR(注意,实际上是控制台上的CLR#信号,因为ABEL语言的书写关系改为CLR,仍为低有效信号)为复位信号,低有效。实验仪处于任何状态下令CLR# = 0,都会使时序发生器和微程序控制器复位(回到初始状态),CLR# = l时,则可以正常运行。复位后时序发生器停在T4、W4状态,微程序地址为000000B。建议每次实验仪加电后,先用CLR#复位一次。控制台上有一个CLR#按钮,按一次,产生一个CLR#负脉冲,实验台印制板上已连好控制台CLR#到时序电路CLR的连线。
TJ(停机)是控制器的输出信号之一。连续运行时,如果控制信号TJ = l,会使机器停机,停止发送时序脉冲T1-T4、W1-W4,时序停在T4。在实验台上为了将时序信号发生器的输入信号TJ和控制存储器产生的TJ信号区分开来,以便于连线操作,在实验台上时序信号发生器的输入信号TJ命名为TJI,而控制存储器产生的信号TJ仍命名为TJ。QD(启动)是来自启动按钮QD的脉冲信号,在TIMER1中,对QD用MF进行了同步,产生QD1和QD2。ACT表示QD1上升沿,表达式是QDl&!QD2,脉冲宽度为1000ns。QDR是运行标志,QD信号使其为l,CLR信号将其置0。DP(单拍)是来自控制台的DP开关信号,当DP = l时,机器处于单拍运行状态,按一次启动按钮QD,只发送一条微指令周期的时序信号就停机。利用单拍方式,每次只执行一条微指令,因而可以观察微指令代码和当前微指令的执行结果。DZ(单指)信号是针对微程序控制器的,接控制台开关DZ和P1信号配合使用。Pl是微指令字判断字段中的一个条件信号,从微程序控制器输出。Pl信号在微程序中每条机器指令执行结束时为l,用于检测有无中断请求INTQ,而时序发生器用它来实现单条机器指令停机。在DB = 0且DP = 0的前提下,当DZ = 0时,机器连续运行。当DZ = 1时,机器处于单指方式,每次只执行一条机器指令。
DB、SKIP、CLK1信号以及W1-W4时序信号都是针对硬布线控制器的。W1-W4是节拍信号,硬布线控制器执行一条机器指令需要一组W1-W4信号。DB(单步)信号就是每次发送一组W信号后停机,可见其功能与DZ类似。执行某些机器指令不需要完整的一组W信号周期,SKIP信号就是用来跳过本指令剩余的W节拍信号的。中断允许标志IE由控制存储器的输出信号INTS将其置1,由控制存储器的输出信号INTC将其置0。在TIMER2内部,控制台产生的中断请求用时钟CLK1进行同步,产生了INTR1
。
只有在INTE = l时,控制台产生的中断请求脉冲INTR才能起作用,即产生向控制器输出中断信号INTQ,INTQ = INTE & INTR1。
2.数据通路
微程序控制器是根据数据通路和指令系统来设计的。这里采用的数据通路是在综合前面各实验模块的基础上,又增加程序计数器PC(U18)、地址加法器ALU2(U17)、地址缓冲寄存器R4(U25、U26)和中断地址寄存器IAR(U19)。PC和ALU2各采用一片GAL22V10,两者配合使用,可完成程序地址的存储、增1和加偏移量的功能。R4由两片74HC298组成,带二选一输入端。IAR是一片74HC374,用于中断时保存断点地址。
3.微指令格式与微程序控制器电路
根据给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号,采用的微指令格式见图7。微指令字长共35位。其中顺序控制部分10位(后继微地址6位,判别字段4位),操作控制字段25位,各位进行直接控制。微指令格式中,信号名带有后缀“#”的信号为低有效信号,不带有后缀“#”的信号为高有效信号。
图7 微指令格式
对应微指令格式,微程序控制器的组成如图8所是示:
图8微程序控制器的组成
控制存储器采用5片EEPROM 28C 64(U8,U9,U10,U11,U12)。 28C 64的输出是D0-D7,分别与引脚11、12、13、15、16、17、18、19相对应,CM0是最低字节,CM4是最高字节。微地址寄存器6位,用一片6D触发器74HC174(U1)组成,带有清零端。两级与门、或门构成微地址转移逻辑,用于产生下一微指令的地址。在每个T1上升沿时刻,新的微指令地址会打入微地址寄存器中,控制存储器随即输出相应的微命令代码。微地址转移逻辑生成下一地址,等下一个T1上升沿时打入微地址寄存器。跳转开关JUMP(J1)是一组6个跳线开关。当用短路子将它们连通时,微地址寄存器μAR从本实验系统提供的微程序地址译码电路得到新的微程序地址μD0-μD5。当他们被断开时,用户提供自已的新微程序地址μD0-μD5。这样用户能够使用自己设计的微程序地址译码电路。5片EEPROM的地址A6(引脚4)直接与控制台开关SWC连接,当SWC = 1时,微地址大于或者等于40H,当SWC = 0时,微地址的范围00H-3FH。SWC主要用于实现读寄存器堆的功能。
微地址转移逻辑的多个输入信号中,INTQ是中断请求,本实验中可以不理会它。SWA、SWB是控
制台的两个二进制开关信号,实验台上线已接好。C是进位信号,IR7-IR4是机器指令代码,由于本次实验不连接数据通路,这些信号都接到二进制开关K0—Kl5上。
三 、机器指令与微程序
为了在教学中简单明了,本实验仪使用12条机器指令,均为单字长(8位)指令。
应当指出,用以上12条指令来编写实际程序是不够的。好在我们的目的不是程序设计,而主要是为了教学,通过CPU执行一些最简单的程序来掌握微程序控制器的工作原理。
上述12条指令的微程序流程设计如图9所示。每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码,然后写入5个 28C 64中。
图9 微程序流程图
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,还设计了以下五个控制台操作微程序:
存储器写操作(KWE):按下复位按钮CLR#后,微地址寄存器状态为全零。此时置SWC = 0、SWB =1、SWA = 0,按启动按钮后微指令地址转入27H,从而可对RAM连续进行手动写入。
存储器读操作(KRD):按下复位按钮CLR#后,置SWC = 0,SWB = 0,SWA = 1,按启动按钮后微指令地址转入17H,从而可对RAM连续进行读操作。
写寄存器操作(KLD):按下复位按钮CLR#后,置SWC = 0,SWB = 1,SWA = 1,按启动按钮后微指令地址转入37H,从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。
读寄存器操作(KRR):按下复位按钮CLR#后,置SWC = 1,SWB = 0,SWA = 0,按启动按钮后微指令地址转入47H,从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。
启动程序(PR):按下复位按钮CLR#后,置SWC = 0,SWB = 0,SWA = 0,用数据开关SW7-SW0设置内存中程序的首地址,按启动按钮后微指令地址转入07H,然后转到“取指”微指令。
应当着重指出,在微指令格式的设计过程中,对数据通路所需的控制信号进行了归并和化简。细心的同学可能已经发现,微程序控制器输出的控制信号远远少于数据通路所需的控制信号。这里提供的微程序流程图是没有经过归并和化简的。仔细研究一下微程序流程图,就会发现有些信号出现的位置完全一样,这样的信号用其中一个信号就可以代表。请看信号LDPC和LDR4,这两个信号都在微程序地址07H,1AH,1FH,26H出现,而在其他的微程序地址都不出现,因此这两个信号产生的逻辑条件是完全一样的。从逻辑意义上看,这两个信号的作用是产生新的PC,完全出现在相同的微指令中是很正常的,因此用LDPC完全可以代替LDR4。还有另一些信号,例如LDDR1和LDDR2,出现的位置基本相同。LDDR2和LDDR1的唯一不同是在地址14H的微指令中,出现了LDDR2信号,但是没有出现LDDR1信号。LDDR1和LDDR2是否也可以归并成一个信号呢?答案是肯定的。微程序流程图中只是指出了在微指令中必须出现的信号,并没有指出出现其他信号行不行,这就要根据具体情况具体分析。在地址14H的微指令中,出现LDDR1信号行不行呢?完全可以。在地址14H出现的LDDR1是一个无用的信号,同时也是一个无害的信号,它的出现完全没有副作用,因此LDDR1和LDDR2可以归并为一个信号LDDR1。根据以上两条原则,我们对下列信号进行了归并和化简:
LDIR(CER) 为1时,允许对IR加载,此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER。 LDPC(LDR4) 为l时,允许对程序计数器PC加载,此信号也可用于作为R4的加载允许信号
LDR4。
LDAR1(LDAR2) 为l时,允许对地址寄存器AR1加载,此信号也可用于作为对地址寄存器AR2
加载。
LDDR1(LDDR2) 为1时允许对操作数寄存器DR1加载。此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2
加载。
Ml(M2) 当M1 = l时,操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据;当M1 = 0时,操
作数寄存器DR1从 寄存器堆RF接收数据。此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号。
在对微指令格式进行归并和化简的过程中,我们有意保留了一些信号,没有化简,同学们可以充分发挥创造性,提出更为简单的微指令格式。
还要说明的是,为什么微指令格式可以化简,而实验台数据通路的控制信号为什么不进行化简?最主要的原因是前面进行的各个实验的需要,例如LDDR1和LDDR2这两个信号,在做运算器数据通路实验时,是不能设计成一个信号的。还有一个原因是考虑到实验时易于理解,对某些可以归并的信号也没有予以归并。
四、实验设备
(1)TEC-4计算机组成原理实验系统一台 (2)直流万用表一只 (3)逻辑测试笔一支
五、实验任务
(1)按实验要求,连接实验台的开关K0—K15、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。
注意:本次实验只做微程序控制器本身的实验,故微程序控制器输出的微命令信号与执行部件(数据通路)的连线暂不连接。连线完成后应仔细检查一遍,然后才可加上电源。
(2)熟悉微指令格式的定义,按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码,列于下表。三种控制台指令的功能由SWC,SWB,SWA三个二进制开关的状态来指定(KRD = 001B,KWE = 010B,PR = 000B)。
单拍(DP)方式执行控制台微程序,读出上述八条微指令,用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况。并与上表数据对照。
(3)用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合,观察验证三种控制台指令KRD、KWE、PR微地址转移逻辑功能的实现。
(4)熟悉05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件(IR4-IR7),用二进制开关设置IR7-IR4的不同状态,观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。(用逻辑笔测试有关逻辑电路的电平,分别做出测试记录。)
(5)设置IR7-IR4的不同组合,用单拍方式执行SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微程序,用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移和执行情况。用逻辑笔测试小插座上输出的微命令信号,记录SUB、LDA、STA、JUMP四条机器指令的微命令信号。
六、实验步骤
(1)接线
跳线开关J1用短路子短接。控制器的输入C接K0,IR4接K1,IR5接K2,IR6接K3,IR7接K4,TJI接K5,SKIP接GND。
合上电源。按CLR#按钮,便实验系统处于初始状态。
(2)用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合,观察验证三种控制台指令KWE、KRD、PR微地址转移逻辑功能的实现。
将时序电路的输入TJI与控制存储器的输出TJ连接,置DP = l,DB = 0,DZ = 0。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = l,按QD按钮,验证KRD的微地址转移功能;选择SWC = 0、SWB = l、SWA = 0,按QD按钮,验证KWE的微地址转移功能;选择SWC = 0、SWB = 0、SWA =0,按QD按钮,验证PR的微地址转移功能。这里不再详述。
(3)熟悉地址05H、10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件(IR4-IR7),用二进制开关设置IR7-IR4的不同状态,观察SUB、LDA、STA、JUMP机器指令微地址转移逻辑功能的实现。
1.05H微指令的功能是根据程序计数器PC从存储器取指令,送往指令寄存器IR,同时进行PC + 1的操作。05H微指令的下一微指令地址是10H。不过,10H只是一个表面的下一微地址,由于该微指令中P2 = 1,因此实际的微指令地址的低4位要根据IR7-IR4确定,实际微地址为10H + IR7 IR6 IR5 IR4。
2.置DP =1,DZ = 0,DB = 0,使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0,按CLR#按钮,使实验系统处于初始状态,微地址是00H。令K4(IR7) = 0,K3(IR6) = 0,K2(IR5) = 0,K1(IR4) = 0,相当于ADD指令的操作码。按一次QD按钮,微地址变为07H。按一次QD按钮,微地址变为05H。按一次QD按钮,微地址变为10H。按一次QD按钮,微地址变为3BH。按一次QD按钮,微地址变为34H。按一次QD按钮,微地址变为0FH。
3.置DP = 1,DZ = 0,DB = 0,使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0,按CLR#按钮,使实验系统处于初始状态,微地址是00H。令K4(IR7) = 0,K3(IR6) = 0,K2(IR5) = 0,K1(IR4) = 1,相当于SUB指令的操作码。按一次QD按钮,微地址变为07H。按一次QD按钮,微地址变为05H。按一次QD按钮,微地址变为11H。按一次QD按钮,微地址变为3AH。按一次QD按钮,微地址变为34H。按一次QD按钮,微地址变为0FH。
4.置DP = l,DZ = 0,DB = 0,使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0,按CLR#按钮,使实验系统处于初始状态,微地址是00H。令K4(IR7) = 0,K3(IR6) = l,K2(IR5) = 0,K1(IR4) = 0,相当于STA指令的操作码。按一次QD按钮,微地址变为07H。按一次QD按钮,微地址变为05H。按一次QD按钮,微地址变为14H。按一次QD按钮,微地址变为35H。按一次QD按钮,微地址变为0FH。 5.置DP = l,DZ = 0,DB = 0,使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0,按CLR#按钮,使实验系统处于初始状态,微地址是00H。令K4(IR7) = 0,K3(IR6) = 1,K2(IR5) = 0,K1(IR4) = 1,相当于LDA指令的操作码。按一次QD按钮,微地址变为07H。按一次QD按钮,微地址变为05H。按一次QD按钮,微地址变为15H。按一次QD按钮,微地址变为36H。按一次QD按钮,微地址变为34H。按一次QD按钮,微地址变为0FH。
6.置DP = l,DZ = 0,DB = 0,使实验系统处于单拍状态。选择SWC = 0、SWB = 0、SWA = 0,按CLR#按钮,使实验系统处于初始状态,微地址是00H。令K4(IR7) = l,K3(IR6) = 0,K2(IR5) = 0,K1(IR4) = 0,相当于JMP指令的操作码。按一次QD按钮,微地址变为07H。按一次QD按钮,微地址变为05H。按一次QD按钮,微地址变为18H。按一次QD按钮,微地址变为0FH。
表6 取机器指令周期及ADD指令执行周期微程序代码