微程序控制器實(shí)驗(yàn)

微程序控制器實(shí)驗(yàn)第一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日

控制器是計(jì)算機(jī)五大功能模塊之一,它是指揮和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件有條不紊的工作的計(jì)算機(jī)核心部件。根據(jù)其工作原理，可分為組合邏輯控制器和微程序控制器。今天我們作的實(shí)驗(yàn)是微程序控制器。第二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日微程序控制器的基本工作原理

微程序控制器組成中的核心成分是控制存儲(chǔ)器，它用于存儲(chǔ)按一定的規(guī)則組織好的全部控制信號(hào)，通常用ROM器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在TEC—2教學(xué)機(jī)上用7片*8位LS6116組成。其主要內(nèi)容由二部分組成，一部分是由執(zhí)行一條指令的一個(gè)運(yùn)行步驟所用到的全部控制信號(hào)（產(chǎn)生的微命令）；另一部分是指明下一個(gè)步驟的地址信息（下一條微指令地址）。第三頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日因此，微程序控制器的工作原理是依據(jù)讀來(lái)的機(jī)器指令的操作碼，找到與之對(duì)應(yīng)的一段微程序入口地址，并按由指令具體功能所確定的次序，逐條從控制存儲(chǔ)器中讀出微指令，以“驅(qū)動(dòng)”計(jì)算機(jī)各功能部件正確運(yùn)行。第四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日操作碼操作碼第五頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日

控制存儲(chǔ)器是微程序控制器的最核心的部分，用于存放教學(xué)機(jī)的微程序，由56位組成，用7片74LS6116隨機(jī)讀寫的8位×2048字的內(nèi)存芯片實(shí)現(xiàn)。通?？刂拼鎯?chǔ)器都是用高速ROM芯片實(shí)現(xiàn)，把已設(shè)計(jì)好的微程序固化在里邊，僅提供讀操作功能，可靠性更高些。教學(xué)機(jī)要支持動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)，即允許把自己設(shè)計(jì)的微程序?qū)戇M(jìn)控制存儲(chǔ)器，在實(shí)驗(yàn)機(jī)加電啟動(dòng)時(shí),首先必須把已設(shè)計(jì)好的53條機(jī)器指令調(diào)用到的微程序調(diào)入控制存儲(chǔ)器。正常執(zhí)行微程序時(shí)，該控制存儲(chǔ)器將依據(jù)Am2910提供給它的10位地址，在讀寫命令W／R(為高是讀操作)控制下讀出相應(yīng)單元的一條微指令。

讀出的微指令將通過(guò)CP脈沖，打入該控制器的第二個(gè)組成部件——微指令寄存器PLR中。已知一條微指令的內(nèi)容通常由下地址和控制信號(hào)(微命令)兩部分組成。下地址可能又被分成幾個(gè)小字段，它們被用于控制、形成或直接提供下一條微指令的地址，是供給控制器部件本身使用的。微命令也由若干個(gè)小字段組成，提供對(duì)計(jì)算機(jī)其他功能部件，如運(yùn)算器、主存、輸入／輸出設(shè)備的控制信號(hào)。

第六頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日控制器的第三個(gè)組成成分，是微程序定序器Am2910器件及其配套電路。

把Am2910的／OE端接地，使其輸出Y11一Y0總保持有效(實(shí)用Y9一YO共10位)。

把／CCEN接地，使Am2910的條件判斷結(jié)果只取決于／CC。

把CP接電源，使微指令地址十1總是執(zhí)行。用／VECT信號(hào)把通過(guò)水平板上的開(kāi)關(guān)給出的10位微指令的手撥地址接通到Am2910的D輸入端。

分別用／MAP和／PL兩個(gè)信號(hào)選通MAPROM和微指令下地址字段的輸出送到Am2910的D輸入端，從而形成D輸入端的3選1邏輯功能。與Am2910配套的電路，主要包括MAPROM和用于形成／CC信號(hào)邏輯值的條件判定線路。MAPROM被用作為指令微地址映射部件，它變換指令的操作碼為該指令對(duì)應(yīng)的微程序段入口地址，由兩片74LS2716ROM芯片組成，其地址為指令的操作碼，對(duì)應(yīng)單元中存放相應(yīng)微程序段的入口地址，執(zhí)行讀操作，并用／MAP選通讀出的信息，解決的是指令功能分支問(wèn)題。第七頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日得到下一條微指令地址的有關(guān)技術(shù)主要包括：

①微程序順序執(zhí)行時(shí)，下地址為本條微指令地址加1。②在微程序必定轉(zhuǎn)向某一微地址時(shí)，可以在微指令字中的相關(guān)字段中給出該地址值。③按微指令(上一條或本條)的某一執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)，選擇順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)向某一地址，此時(shí)必須在微指令字中指明需判斷的執(zhí)行結(jié)果及轉(zhuǎn)移地址。要判斷的執(zhí)行結(jié)果，可以是運(yùn)算器的標(biāo)志位狀態(tài)，控制器的執(zhí)行狀態(tài)，如多次的微指令循環(huán)是否結(jié)束，外設(shè)是否請(qǐng)求中斷等等。④微子程序的調(diào)用及返回控制，會(huì)用到微堆棧。

⑤依條件判斷轉(zhuǎn)向多條微指令地址中的某一地址的控制，它可以是前述第③條的更復(fù)雜一點(diǎn)的用法，也包括依據(jù)取來(lái)的機(jī)器指令的操作碼，找到對(duì)應(yīng)該條指令的執(zhí)行過(guò)程的一段微程序的入口地址。這后一種情況通常被稱為微程序控制中的功能分支轉(zhuǎn)移。此時(shí)在微指令字中直接給出多個(gè)下地址是不現(xiàn)實(shí)的或不合理的，應(yīng)找出更合理的解決方案。

第八頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日Am2910是一片能提供12位微指令地址的器件，即它的輸入輸出的地址位數(shù)和器件內(nèi)的部件位數(shù)均為12位，能直接尋址4096條微指令字的空間范圍。

Am2910包括一個(gè)4輸入的多路地址選擇器，用來(lái)從寄存器／計(jì)數(shù)器(R／C)，直接輸入(D)，微程序計(jì)數(shù)器(μPC)或微堆棧(F)4路輸入中，選擇其一作為下一條微指令的地址。寄存器／計(jì)數(shù)器由12個(gè)D型觸發(fā)器組成。當(dāng)它用作寄存器時(shí)，主要用于保存一個(gè)微地址，用以實(shí)現(xiàn)微程序轉(zhuǎn)移；當(dāng)它用作計(jì)數(shù)器時(shí)，具有減一功能(何時(shí)減一，取決于Am2910的命令碼)，主要用于控制微程序的循環(huán)次數(shù)，若裝入的初值為N，則可能執(zhí)行N十1次循環(huán)。微程序計(jì)數(shù)器由12位的增量器和12位的寄存器μPC組成。當(dāng)增量器的進(jìn)位輸入CI為高電平時(shí)，多路器的輸出Y加1后裝入μPC(即μPC←Y十1、)，用于實(shí)現(xiàn)微程序的順序執(zhí)行；而當(dāng)CI為低電平時(shí)，多路器的輸出Y直接裝入μPC(即μPC←Y)，用于實(shí)現(xiàn)同一條微指令的多次執(zhí)行。

微堆棧是由5字×12位的寄存器堆棧和微堆棧指針μSP組成，主要用于保存微子程序調(diào)用時(shí)的返回地址和微程序循環(huán)的首地址。微堆棧指針μSP總是指向最后一次壓入的數(shù)據(jù)，因此，執(zhí)行微程序循環(huán)時(shí)，允許不執(zhí)行彈出操作而直接訪問(wèn)微堆棧的棧頂。當(dāng)微堆棧中的數(shù)據(jù)達(dá)到5個(gè)時(shí)，就發(fā)出微堆棧已滿信號(hào)(／FULL＝0)，這時(shí)，任何壓入操作都將覆蓋掉棧頂?shù)脑袛?shù)據(jù)。Am2910輸出3個(gè)使能信號(hào)：／PI和／MAP及／VECT，用以決定直接輸入D的來(lái)源。當(dāng)／PL有效時(shí)(即／PL＝0)，D來(lái)源于微指令的下地址字段，用于實(shí)現(xiàn)微程序轉(zhuǎn)移；當(dāng)／MAP有效時(shí)(即／MAP＝0)。D來(lái)源于MAPROM，用于實(shí)現(xiàn)從機(jī)器指令的操作碼找到相應(yīng)的微程序段首地址的轉(zhuǎn)移；當(dāng)／VECT有效時(shí)，(即／VECT＝0)，原意來(lái)源于中斷向量，現(xiàn)用于接收手拔微地址。Y11—Y0：下一條微指令的地址，它直接被用作為讀控制存儲(chǔ)器的地址。

第九頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日D11一Do：外部直接輸人的數(shù)據(jù)，既可作為寄存器／計(jì)數(shù)器的初值，也可以經(jīng)過(guò)地址多路選擇器直接從Y輸出，作為下一條微指令的地址。

I3一I。：Am2910的命令碼，來(lái)自微指令字的有關(guān)字段，用以選擇Am2910的16條命令之一。條件輸入／CC和條件允許／CCEN信號(hào)用來(lái)共同確定測(cè)試條件是否通過(guò)，若／CCEN為低且／CC為高，則指明測(cè)試失效；而／CCEN為高或／CC為低，均表明測(cè)試通過(guò)。若把／CCEN接地，即使其恒為低電平，則可以只使用／CC判斷測(cè)試結(jié)果，／CC為低是測(cè)試通過(guò)，／CC為高則表明測(cè)試失效，我們?cè)诮虒W(xué)計(jì)算機(jī)中就是這樣用的。

／RLD：寄存器／計(jì)數(shù)器裝入信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，不管Am2910所執(zhí)行的命令和測(cè)試條件如何，都強(qiáng)制把直接輸入D11—Do裝入Am2910內(nèi)部的寄存器／計(jì)數(shù)器。CI：增量器進(jìn)位輸入，當(dāng)其為高電平時(shí)，控制微指令地址增量，即執(zhí)行μPC←Y十1，當(dāng)為低電平時(shí)，執(zhí)行μPC←Y。

／OE：Y輸出允許信號(hào)，低電平有效，當(dāng)為高電平時(shí)，Y輸出為高阻態(tài)。

CP：時(shí)鐘脈沖信號(hào)，由低變高的上升邊沿觸發(fā)所對(duì)內(nèi)部狀態(tài)的變化第十頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日開(kāi)關(guān)手拔數(shù)據(jù)運(yùn)算器輸出指令的低8位狀態(tài)寄存器中斷優(yōu)先級(jí)未使用NC轉(zhuǎn)用開(kāi)中斷轉(zhuǎn)用關(guān)中斷未用（NC）IRAR中斷優(yōu)先級(jí)待定第十三頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日用第十四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日ADD“