一、实验类型
本实验为原理型+分析型
二、实验目的
（1）掌握微程序控制器的原理
（2）掌握TEC-8模型计算机中微程序控制器的实现方法，尤其是微地址转移逻辑的实现方法
（3）理解条件转移对计算机的重要性
三、实验设备
（1）TEC-8实验系统
四、实验电路
（1）TEC-8模型计算机框图
（2）微指令格式
（3）微程序控制电路图
（4）操作模式
操作模式 DP SWC SWB SWA | 实验功能 |
10 0 0 | 启动程序运行 |
10 0 1 | 写存储器 |
10 1 0 | 读存储器 |
10 1 1 | 读寄存器 |
11 0 0 | 写寄存器 |
1 1 0 1 | 运算器组成实验 |
11 1 0 | 双端口存储器实验 |
1 1 1 1 | 数据通路实验 |
五、实验要求
（1）掌握TEC-8模型计算机微控制器的工作原理。
（2）做好实验预习，按要求预先填写实验步骤中各表格。
六、实验任务
（1） 设置SWC/SWB/SWA，用单微指令方式跟踪控制台操作运算器组成实验等的执行过程，记录每一步的微地址uA5-uA0、P4-P0和有关控制信号的值，写出每一步所执行的微指令的作用。
（2）手工设置操作码IR7-IR4，用单微指令方式跟踪STP以外指令的执行过程，记录每一步的微地址uA5-uA0、P4-P0和有关控制信号的值，写出每步所执行的微指令的作用。
七、实验步骤（参见教材第十章相关实验）
（1）将控制器转换开关拨到微程序位置，将编程开关设置为正常位置，将开关DP拨到向上位置。打开电源。
（2）跟踪控制台操作读寄存器、写寄存器、运算器组成实验的执行。
a) 按下CLR复位键，注意此时uA5-uA0全灭，表示当前执行的是CM中的0号微指令，按一次QD键执行一条微指令。
b) 请预先填写下表内容，在实验箱上验证所写信号是否正确。如果不一致，请分析原因。按QD结束每个操作。记录每一步的微地址uA5-uA0、P4-P0和有关控制信号的值，写出每一步所执行的微指令的作用。
操作1：读寄存器（操作模式：1011）
操作 | 当前微指令地址 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | |||||
uA5-uA0 | P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | |||
复位 | 00H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 01H | SWC SWB SWA=011,07H | |
实验现象解释： 复位的微地址为00H；P0=1表示根据后继微地址NuA5~NuA0和模式开关SWC、SWB、SWA确定下一条微指令的地址。此时下地址字段NuA5~NuA0=01H、SWC SWB SWA=011，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是07H。然后按QD，进入下一条微指令。 | ||||||||||
读寄存器 A/B指示灯上显示R0和R1 | 07H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 STOP=1 SELCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 06H | SWC SWB SWA=011,06H | |
读寄存器 A/B指示灯上显示R2和R3 | 06H | RD1-RD0=10 RS1-RS0=11 STOP=1 SELCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 00H | SWC SWB SWA=011,00H | |
实验现象解释： 由于指示灯只有两个但寄存器有4个，所以要读两次，第一次读R0和R1，第二次读R2和R3，指令地址分别为07H和06H；RD1-RD0、RS1-RS0：分别控制A、B指示灯显示的值； 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | ||||||||||
操作2：写寄存器（操作模式：1100）
操作 | 当前微指令地址 uA5-uA0 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | ||||
P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | |||
复位 | 00H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 01H | SWC SWB SWA=100,09H |
实验现象解释： 复位的微地址为00H；P0=1表示根据后继微地址NuA5~NuA0和模式开关SWC、SWB、SWA确定下一条微指令的地址。 此时下地址字段NuA5~NuA0=01H、SWC SWB SWA=100，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是09H。 然后按QD，进入下一条微指令。 | |||||||||
写R0 | 09H | SBUS=1 RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 SELCTL=1 DRW=1, STOP=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 08H | SWC SWB SWA=100,08H |
写R1 | 08H | SBUS=1 RD1-RD0=01 RS1-RS0=00 SELCTL=1 DRW=1, STOP=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0AH | SWC SWB SWA=100,0AH |
写R2 | 0AH | SBUS=1 RD1-RD0=10 RS1-RS0=01 SELCTL=1 DRW=1, STOP=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0CH | SWC SWB SWA=100,0CH |
写R3 | 0CH | SBUS=1 RD1-RD0=11 RS1-RS0=10 SELCTL=1 DRW=1, STOP=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 00H | SWC SWB SWA=100,00H |
实验现象解释： 写R0写R1写R2写R3的操作指令地址为09H、08H、0AH、0CH； SBUS=DRW=1：允许外界数据进入R0-R3寄存器 RD1-RD0：决定外界的值进入到哪个寄存器； 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
操作3：运算器组成实验（操作模式：1101）
操作 | 当前微指令地址 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | ||||
uA5-uA0 | P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | ||
复位 | 00H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 01H | SWC SWB SWA=101,0BH |
实验现象解释： 复位的微地址为00H；P0=1表示根据后继微地址NuA5~NuA0和模式开关SWC、SWB、SWA确定下一条微指令的地址。 此时下地址字段NuA5~NuA0=01H、SWC SWB SWA=100，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是09H。 然后按QD，进入下一条微指令。 | |||||||||
写R0 | 0BH | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 STOP=1 DRW=1 SUBS=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 15H | SWC SWB SWA=101,15H |
写R1 | 15H | RD1-RD0=01 RS1-RS0=00 STOP=1 DRW=1 SUBS=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 16H | SWC SWB SWA=101,16H |
实验现象解释： 当指示灯uA5--uA0显示0BH时，在数据开关S70~SD0上设置R0。在数据总线DBUS指示灯D7~D0 上可以看到数据是否设置正确，发现错误需及时改正。设置数据正确后，按一次QD按钮，将SD7~SD0上的数据写入R0，进入下一步。设置R0时，74LS181不需要运转，因此它的指示灯全为0；SBUS=1表示数据可以送往DBUS；DRW=1表示允许数据写入到寄存器；ABUS=0表示禁止将ALU运算结果送往DBUS；RD1-RD0值取00表示选择R0的数据送往A端口，RS1-RS0值取01表示选择R1的数据送往B端口。 在数据开关S70~SD0上设置R1。设置数据正确后，按一次QD按钮，将SD7~SD0上的数据写入R1，进入下一步。指示灯uA5--uA0显示15H，这时R0已经写，在指示灯B7~B0上可以观察到设置的R0数值；设置R1时，74LS181不需要运转，因此它的指示灯全为0；SBUS=1表示数据可以送往DBUS；DRW=1表示允许数据写入到寄存器；ABUS=0表示禁止将ALU运算结果送往DBUS；RD1-RD0值取01表示选择R1的数据送往A端口，RS1-RS0值取00表示选择R0的数据送往B端口。 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
R0+R1 | 16H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 M=0 S3-S0=1001 CIN=1 LDC=1 LDZ=1 SBUS=0 DRW=0 ABUS=1 STOP=1 SETCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 17H | SWC SWB SWA=101,17H |
实验现象解释： 指示灯uA5--uA0显示16H。指示灯A7~A0显示被加数R0，指示灯B0~B7显示加数R1，D7~D0指示灯显示运行结果R0+R1；M=0表示算数运算，S3~S0=1001表示进行的加法运算，CIN=1表示低进位输入，LDC=1表示保存C标志，LDZ=1表示保存Z标志；SBUS=0表示数据不可以送往DBUS；DRW=0表示不允许数据写入到寄存器，此时RD1-0与RS1-0信号无意义；ABUS=1表示允许将ALU运算结果送往DBUS。 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
R0-R1 | 17H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 M=0 S3-S0=0110 CIN=0 LDC=1 LDZ=1 SBUS=0 DRW=0 ABUS=1 STOP=1 SETCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 18H | SWC SWB SWA=101,18H |
实验现象解释： 指示灯uA5--uA0显示17H。指示灯A7~A0显示被减数R0，指示灯B0~B7显示减数R1，D7~D0指示灯显示运行结果R0-R1；M=0表示算数运算，S3~S0=0110表示进行的减法运算，CIN=0表示低位不进位输入，LDC=1表示保存C标志，LDZ=1表示保存Z标志；SBUS=0表示数据不可以送往DBUS；DRW=0表示不允许数据写入到寄存器，此时RD1-0与RS1-0信号无意义；ABUS=1表示允许将ALU运算结果送往DBUS。 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
R0 and R1 | 18H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 M=1 S3-S0=1011 CIN=0 LDC=0 LDZ=1 SBUS=0 DRW=0 ABUS=1 STOP=1 SETCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 19H | SWC SWB SWA=101,19H |
实验现象解释： 观察并记录与运算结果和相应的指示灯信息，完成后按一次QD按钮，进入下一步。 现象解释：指示灯uA5--uA0显示18H。指示灯A7~A0显示R0，指示灯B0~B7显示R1，D7~D0指示灯显示运行结果R0 and R1；M=1表示逻辑运算，S3~S0=1011表示进行与逻辑运算，CIN=0表示低位不进位输入，LDC=0表示不保存C标志，LDZ=1表示保存Z标志；SBUS=0表示数据不可以送往DBUS；DRW=0表示不允许数据写入到寄存器，此时RD1-0与RS1-0信号无意义；ABUS=1表示允许将ALU运算结果送往DBUS。 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
R0 or R1 | 19H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=01 M=1 S3-S0=1110 CIN=0 LDC=0 LDZ=1 SBUS=0 DRW=0 ABUS=1 STOP=1 SETCTL=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 00H | SWC SWB SWA=101,00H |
实验现象解释： 指示灯uA5--uA0显示19H。指示灯A7~A0显示R0，指示灯B0~B7显示R1，D7~D0指示灯显示运行结果R0 or R1；M=1表示逻辑运算，S3~S0=1110表示进行的或运算，CIN=0表示低位不进位输入，LDC=0表示保存C标志，LDZ=1表示保存Z标志；SBUS=0表示数据不可以送往DBUS；DRW=0表示不允许数据写入到寄存器，此时RD1-0与RS1-0信号无意义；ABUS=1表示允许将ALU运算结果送往DBUS。 判定字段全为0：表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
（3）验证机器指令对应的微指令
将实验箱上信号C-I、Z-I、IR7-I、IR6-I、IR5-I、IR4-I与开关K6-K0接起来，用单微指令方式跟踪STP以外指令的执行过程，记录每一步的微地址uA5-uA0、P4-P0和有关控制信号的值，写出每一步所执行的微指令的作用。
要求：至少跟踪3条机器指令的微指令，表格行数根据具体指令的微指令条数进行增删。
指令1：JMP 操作码IR7-IR4 =1001 | |||||||||
操作 | 当前微指令地址 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | ||||
uA5-uA0 | P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | ||
复位 | 00H | RD1-RD0=00 RS1-RS0=11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 01H | SWC SWB SWA=000,01H |
取指 | 01H | LIR=1 PCINC=1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 20H | SWC SWB SWA=000,29H |
实验现象解释： 复位的微地址为00H；P0=1表示根据后继微地址NuA5~NuA0和模式开关SWC、SWB、SWA确定下一条微指令的地址。此时下地址字段NuA5~NuA0=01H、SWC SWB SWA=000，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是01H。然后按QD，进入下一条微指令。 P1=1表示根据后继微地址NuA5-0和指令操作码IR7~IR4确定下一条微指令的地址；此时地址字段NuA5~NuA0=20H，IR7-IR4 = 1001，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是29H。然后按QD，进入下一条微指令。 | |||||||||
执行第1步： 读出JMP指令 | 29H | M=1 S=1111 ABUS=1 LPC=1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 01H | SWC SWB SWA=000,01H |
实验现象解释： 该指令置M=1、S=1111、ABUS=1、LPC=1、P4=1； P4=1表示根据后继微地址NuA5-0和中断信号INT确定下一条微指令的地址；此时地址字段NuA5~NuA0=01H，INT=0，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是01H. | |||||||||
指令2：JC 操作码IR7-IR4 =1000 | |||||||||
操作 | 当前微指令地址 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | ||||
uA5-uA0 | P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | ||
执行第1步： 进入JZ | 28H | Z=1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 12H | SWC SWB SWA=000,13H |
实验现象解释： 地址28H中没任何控制信号，同时由P3来判定下一条微指令地址。当P3=1时，根据下地址字段NuA5-0和结果为0标志Z确定下一条微指令的地址。此时设Z=1，根据微程序流程图可知，下一条地址为13H。 | |||||||||
执行第2步： 读出指令JC | 13H | PCADD=1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 01H | SWC SWB SWA=000,01H |
实验现象解释： 该指令设置PCADD=1—让PC和IR中的转偏移量相加。 P4=1表示根据后继微地址NuA5-0和中断信号INT确定下一条微指令的地址；此时地址字段NuA5~NuA0=01且INT=0，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是01H. | |||||||||
指令3：ST 操作码IR7-IR4 =0110 | |||||||||
操作 | 当前微指令地址 | 与本操作有关的控制信号及取值 | 判定字段 | 下地址字段 | 实际下地址 | ||||
uA5-uA0 | P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | NuA5-0 | NuA’5- NuA’0 | ||
执行第1步： 读入指令ST | 26H | M=1、S=1111 ABUS=1、LAR=1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 10H | SWC SWB SWA=000,10H |
实验现象解释： ST指令的第一步地址为26H，置M=1、S=1111、ABUS=1、LAR=1，判定字段全为0，表示不需要对地址字段进行判定，后继微地址NuA5-0就是下一条指令的地址。 | |||||||||
执行第2步： 进入下一步操作 | 10H | M=1、S=1010 ABUS=1、MEMW=1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 01H | SWC SWB SWA=000,01H |
实验现象解释： ST指令的第二步地址为10H，置M=1、S=1010、ABUS=1、MEMW=1，P4=1表示根据后继微地址NuA5-0和中断信号INT确定下一条微指令的地址；此时地址字段NuA5~NuA0=01且INT=0，根据微程序控制器电路图可以得出下一条微指令地址是01H. | |||||||||
八、思考题
（1）TEC-8模型计算机的微指令地址有多少位？最多能寻址多少条微指令？
答：有6位，最多能寻址26=64条。
- 能对TEC-8模型计算机的微指令格式压缩长度吗？如果能，可以怎么做？
答：能；方法如下：
1. 改直接表示为编码表示（压缩互斥性微指令）
1）互斥性微命令
输出信号不能同时为 1 XXX(out)
运算器的 +1， ADD， SUB 信号也不能同时给出
2）7 个out型命令有7 个状态 --> 3:8译码器
所有输出里面一定有一个为高电平，所以 000 不用
预留的一个状态表示什么信号也不给
3）加法类的运算器信号 --> 2:4译码器
+1，ADD， SUB
无信号
缩短了微指令长度，增加了硬件开销（3:8译码器，2:4译码器），硬件被所有微程序共 享，所以开销可忽略
2. 去掉下址字段，采用 μPC = μPC + 1 的方式生成微指令地址
每一条指令都有一个下址字段，对控存的浪费是巨大的
增加了一个运算器，减少了下址字段，节约了控存空间
- 改水平型微指令为垂直型微指令（牺牲并行性）
水平型微指令：
并行操作能力强，效率高，灵活性强
微指令字较长，微程序短，控存容量大，性能佳
垂直型微指令：
子长短，微程序长，控存容量小，性能差
垂直型与指令相似，易于掌握
基本被淘汰
（3）试根据运算器组成实验的实验过程，请画出该实验的微程序流程图。
承诺： 本实验和实验报告均系本人独立完成，未抄袭他人，实验过程、数据、结果真实。 签名 时间：20 年 月 日
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