计算机组成原理TEC-4实验手册（含实验步骤）完整6个实验 三个程(7)

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W1,W2,W3,W4,INTR1 PIN 14..18 ISTYPE 'REG'; INTQ PIN 20 ISTYPE 'COM'; CLK = .C.;

EQUATIONS

W1 := CLR & W4 ;

W2 := CLR & W1 & !SKIP; W3 := CLR & W2 & !SKIP;

W4 := !CLR # W3 # SKIP & W1 # SKIP & W2 ; INTR1 := INTR; INTQ = IE & INTR1;

[W1,W2,W3,W4,INTR1].CLK = CLK1; END

TIMER1和TIMER2中还集成了中断逻辑，中断逻辑的介绍见第八节。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。实验台处于任何状态下令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# ＝１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＝１，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QD1 & !QD2，脉冲宽度为1000ns 。QDR是运行标志，QD信号使其为1，CLR信号将其置0。DP（单拍）是来自控制台的DP开关信号，当DP ＝１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。P1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。P1信号在微程序中每条机器指令执行结束时为１，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被用时钟CLK1进行同步，

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产生了INTR1。只有在INTE = 1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的中断中断信号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），详见第二节的图4。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。有关数据通路总体的详细说明，请参看第一节。

３．微指令格式与微程序控制器电路

TJS2S1S0M1LDDR1WRDLRWCEL#ALU_BUSRS_BUS#SW_BUS#IAR_BUS#LDERM3AR1_INCLDAR1LDIARM4PC_INCPC_ADDLDPCLDIRINTCINTS35343332313029282726252423222120191817161514131211判断条件图10 微指令格式

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10。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。

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uA5uA4uA3uA2uA1uA0后继微地址P3P2P1P0判断指示灯A5A4A3A2A1A0A5A4A3A2A1A0CINTQA5A4A3A2A1A0A5A4A3A2A1A0A5A4A3A2A1A0u_A0— u_A5Q5Q4Q3Q2Q1Q0D0D1D2D3D4D5IR4IR5IR6IR7SWA图11 微程序控制器的组成

对应微指令格式，微程序控制器的组成见图11。控制存储器采用5片EEPROM 28C64(U8、U9、U10、U11、U12)。28C64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?AR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?D0—?D5。当他们被断开时，用户提供自己的新微程序地址?D0—?D5。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，微地址的范围为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。SWA、SWB是控制台的两个二进制开关信号，实验台上线已接好接。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—K15上。

三、机器指令与微程序

为教学中简单明了，本实验仪使用12条机器指令，均为单字长（8位）指令。指令

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SWBD7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0NC4NC3NC2NC1NC0TJS2S1S0M1LDDR1WRDLRWCEL#ALU_BUSRS_BUS#SW_BUS#IAR_BUS#LDERM3AR1_INCLDAR1LDIARM4PC_INCPC_ADDLDPCLDIRINTCINTSP3P2P1P0uA5uA4uA3uA2uA1uA0CM428C64CM328C64CM228C64CM128C64CM028C64......uAR74HC174CLR#T1微地址指示灯uD0— uD5JUMP功能及格式如表5所示。指令的高４位提供给微程序控制器，低４位提供给数据通路。

表5 指令功能与格式 名称 加法 减法 乘法 逻辑与 存数 取数 无条件转移 条件转移 停机 中断返回 开中断 关中断

助记符 ADD Rd,Rs SUB Rd,Rs MUL Rd,Rs AND Rd,Rs STA Rd,[Rs] LDA Rd,[Rs] JMP [Rs] JC D STP IRET INTS INTC 功能 Rd+Rs->Rd Rd-Rs->Rd Rd*Rs->Rd Rd&Rs->Rd Rd->[Rs] [Rs]->Rd [Rs]->PC 若C=1则 PC+D->PC 暂停运行 返回断点 允许中断 禁止中断 指令格式 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 RS1 RS0 RS1 RS0 RS1 RS0 RS1 RS0 RS1 RS0 RS1 RS0 RS1 RS0 D3 D2 X X X X X X X X RD1 RD0 RD1 RD0 RD1 RD0 RD1 RD0 RD1 RD0 RD1 RD0 X X D1 D0 X X X X X X X X

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，而主要是为了教学目的，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12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28C64中。

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：

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KT00001:KRD17SW_BUS#LDAR13FCEL#LRW=1TJ3EAR1_INC010:KWE27SW_BUS#LDAR1TJ3DSW_BUS#CEL#LRW=03CAR1_INCTJ0010:MUL12M1=0LDDR1M2=0LDDR239ALU=A*BALU_BUSLDERWD34WRDOFP3011:KLD37SW_BUS#LDAR1M3=1LDAR2TJ33SW_BUS#CEL#LRW=007100:KRR47SW_BUS#LDAR1M3=1LDAR2TJ46SW_BUS#CEL#LRW=0000:PR45CERLDIR44RS_BUS#TJ07SW_BUS#M4=1LDR4LDPC32CERLDIRTJ31SW_BUS#LDER30WRDTJQE05M3=0LDAR2CERLDIRPC-INCP2100FLDAR205INTQ=0P1INTQ=125INTCLDIARTJ26SW_BUS#M4=1LDR4LDPCINT0000:ADD10M1=0LDDR1M2=0LDDR23BALU=A+BALU_BUSLDER0001:SUB11M1=0LDDR1M2=0LDDR23AALU=A-BALU_BUSLDER0011:AND13M1=0LDDR1M2=0LDDR238ALU=A&BALU_BUSLDER0101:LDA15RS_BUS#LDAR136CEL#LRW=1LDER0100:STA14M2=0LDDR2RS_BUS#LDAR135ALU=AALU_BUSCEL#LRW=0OF1000:JMP18RS_BUS#M4=1LDR4LDPCOF0110:1010:STPIRET161ATJIAR_BUS#0FC=0OFM4=1P0LDR4C=11FLDPCM4=0OFLDR4PC_ADDLDPCOF1001:JC191011:1100:INTSINTC1B1CINTCINTSOFOF图12 微程序流程图 34

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