2．微地址寄存器电路
图3-3-3微地址寄存器电路 图3-3-4 微地址译码器
三．实验步骤
1．微指令控制电路实验。
下载..\\ demoB_uC\\se5_1.sof到实验台。或输入图3-3-2微指令控制电路，并按照图中说明锁定引脚，编译、下载到实验系统中，选择实验台工作模式No.1。键盘/显示定义如下：
1）键1、键2输入6位微指令数据I[7..2]，键2中的高两位还作为标志位FC、FZ；
2）键3输入分支控制信号P[4..1] ; 3）键4输入控制台的控制信号SWA、SWB ；
4）键8输入节拍信号T4 ； 4） 数码5、数码6显示微地址控制信号SE[6..1]。 根据微程序控制器的内部结构，记录当FC、FZ变化时，微指令I[7..2]的变化，对输出微地址控制信号SE[6..1]的影响；
观察、记录当微指令I[7..2]的值变化时，SE[6..1]的变化情况；
观察、记录分支信号P[4..1]有效时，微指令I[7..2]的变化对输出微地址控制信号SE[6..1]的影响； 观察、记录SWA、SWB对输出微地址控制信号SE[6..1]的影响。 2．微地址寄存器电路实验。
下载.\\ demoB_uC\\se6_1.sof到实验台。或按照图3-3-3中说明锁定引脚，编译、下载到实验系统中，选择实验台工作模式No.1。键盘/显示定义如下：
1） 键1、键2输入D触发器数据d[6..1] ;
2）键4、键3输入D触发器置“1”控制信号S[6..1]，低电平有效； 3）键7输入D触发器复位（清零）控制信号，低电平有效；
4）键8输入时钟信号CLK ； 5）数码7、8显示D触发器输出信号q[6..1]。
观察记录微地址寄存器在正常工作情况下，由d[6..1]输入、q[6..1]输出的微地址实验数据，以及在发生控制/转移情况下，当s[6..1]信号有效时，q[6..1] 输出的微地址发生变化的情况。
3．微地址译码器实验
下载.\\ demoB_uC\\ldr0_2.sof到实验台（打开相应的工程文件ldr0_2.gdf，观察其原理图和引脚锁定情况）。或按照图3-3-4中说明锁定引脚，编译、下载到实验系统中，选择实验台工作模式No.5。
观察、记录微指令信号中I[3..0] 的变化、控制信号LDRI、RD_B、RS_B、RJ_B的变化，对输出选通信号LDR0~LDR2、R0_B~R2_B的影响。
四．实验报告
(1)实验原理。 (2)绘制相应的时序波形图。 (3)实验结果分析、讨论。
五．思考题
1．在微指令控制电路中，当FC 或FZ有效时，对其输出S[6..1]有何影响？对微地址寄存器的输出会有何影响？如何实现对程序的控制/转移功能？
2．说明P[4..1]信号分别有效时，对微指令控制电路中输出S[6..1]有何影响？
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3．当控制信号SWA、SWB取不同的值时，对微指令控制电路中输出S[6..1]有何影响？
实验四 总线控制实验
一．实验目的
1．理解总线的概念及特性。 2．掌握总线传输控制特性。
二．实验原理
1．总线的基本概念
总线是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。
总线 SW-B 数据输入开关 LDAR 地址寄存器 AR CS W/R LED-B 存储器 RAM W/R R0-B 数码管 LED LDR0 寄存器 R0 图4-1 总线实验传输框图
2．实验原理
实验所用总线实验传输框图如图4-1所示。它将几种不同的设备挂在总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备在传统的系统中需要有三态输出控制，然而在FPGA的内部没有三态输出控制结构，因此必须采用总线输出多路开关结构加以控制。按照传输要求恰当有序地控制它们，就可以实现总线信息传输。
三．实验内容
1．实验要求
根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程。
（1）输入设备将数据打入寄存器R0。 （2）输入设备将另一个数据打入地址寄存器AR。 （3）将寄存器R0中的数据写到当前地址的存储器中。（4）将当前地址的存储器中的数用数码管显示。
图4-4是总线控制的时序仿真波形图。 2．实验步骤
（1）实验电路如图4-2所示。注意，LPM_RAM_DQ的参数“LPM_ADDRESS_CONTROL”选择UNREGISTERED；“LPM_INDATA”选择REGISTERED；“LPM_OUTDATA”选择UNREGISTERED；写使能WE=1允许写，=0禁止写，允许读；inclock为数据DATA锁存时钟。具体操作可参考图4-3。
（4）、工程文件是\\cpp100\\demoC_BUS\\BUS-4.gdf，下载BUS-4.sof到实验台的FPGA中； （5）、实验内容1，根据图4-2完成实验操作：选模式“0”；再按一次右侧的复位键；初始状态：sel[1..0]=00，此时由键2/键1输入的数据直接进入BUS，键3、4、5、6、7为低电平，键8=1，允许RAM写入，完成图4-2所示的操作。
（6）、实验内容2：先将数据28H写入RAM的地址（4AH），再将数据1BH送进R0，最后将刚才写入RAM中地址（4AH）的数据读出送到OUT口。依据总线电路图4-3，操作如下：
1、用一接线将实验板上键9的输入端插针与适配板上FPGA的第P198针相连，以便能用键9控制OUT锁存器的时钟；键3、4、5、6、7、8都为低电平，使键4/键3=00，即总线多路选择器sel[1..0]=00，选择由键2/键1输入的数据4AH（地址），直接进入BUS；
2、 按键6两次，产生一个正脉冲，将地址数据4A锁入地址寄存器AR，如图4-3所示，此数据直接进入RAM的address端；
3、由键2/键1输入的数据28H（数据），此时直接进入总线BUS，并进入RAM的data数据端；按键
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8=1（RAM写允许）；按键7两次，将数28H写入RAM（地址为4AH），最后按键8=0，写禁止，读允许。
4、由键2/键1输入的数据1BH，按键5两次，产生一个正脉冲，即此数写入R0寄存器。 5、 读RAM送到OUT：由键2/键1输入的数据4AH，按键5两次，使4AH进入AR； 6、 按键7两次，RAM中4AH单元中的数据28H输出，再使键4/键3=10，即总线多路选择器sel[1..0]=10，此时RAM数据口的28H进入总线BUS（可从数码管8/7上看到）；
7、按键9一次（此键是单脉冲），RAM口的28H即被锁如输出口OUT寄存器，由数码管6/5显示。
图4-2 总线数据传输练习操作步骤
3、键盘/显示定义详细说明：
1）键2、键1输入D[7..0]，输入的数据同时显示在数码2和数码3上。2）键4、键3输入控制设备选择端sel[1..0]，如图4-2所示，键4/键3控制总线多路选择器，选择不同设备的数据进入总线：sel[1..0]= 00：输入设备INPUT数据进入总线BUS；= 01：寄存器R0中的数据进入总线BUS；= 11：地址寄存器AR的数据进入总线BUS；= 10：存储器RAM的数据进入总线BUS；4）总线BUS上的输出数据显示在数码8和数码7上；5）键5控制寄存器R0的输入选通锁存端；6）键6控制地址寄存器AR输入选通锁存端；7）键7控制LPM_RAM数据DATA输入锁存端；8）键8控制LPM_RAM写入允许WE端，=1有效； 9）键9控制输出设备OUTPUT的输入选通端，输出数据显示在数码6和数码5上，要求首先用一接线将实验板上键9的输入端插针与适配板上FPGA的第P198针相连。
图4-3 总线控制实验线路图
四．实验报告
(1) 实验原理。 (2) 在思考题中选作2~3题，给
出实现方案和具体的操作步骤。 (3) 绘制相应的时序波形图。 (4) 实验结果分析、讨论。
五．思考题实验题
1．如何向RAM中输入多个数据，并在输出设备OUTPUT上显示这些数据？（将3个数据写入RAM的不同地址中，再将它们分别读出，在OUT上显示）
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图4-4 总线控制的时序仿真波形图 2．传输过程中是否会在总线上发生数据冲突？若发生冲突应怎样避免？ 3．用VHDL设计数据寄存器。 4．要进行以下数据传输，应如何控制输入/输出选通信号，通过数据总线实现多个部件之间的数据传输？
请给出实现方案和具体的操作步骤。完成以下7道总线传输实验练习题，写出实验的详细过程，并配以仿真波形图加以说明： 练习题编号 1 2 3 4 5 6 7 功 能 把INPUT设置的数据写入R0 把INPUT设置的数据写入RAM某单元 把RAM某单元内容读入R0 把R0内容读入RAM某单元 把R0内容输出显示 把RAM某单元内容输出显示 把INPUT设置的数据直接输出显示 助 记 符 IN R0，KEY IN RAM，KEY LD R0，RAM ST RAM，R0 OUT LED，R0 OUT LED，RAM OUT LED，KEY 5．将用图形设计的实验电路改写成用VHDL语言设计的实验电路。
实验五 基本模型机设计与实现
一．实验目的
1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程； 3．学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。
4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。 5．定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。
6．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。
二．实验原理
1．在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
2．指令格式 （1）指令格式
采用寄存器直接寻址方式，其格式如下： 位 功能 7654 3rs 2 1rd 0 OP-CODE 其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定： Rs或rd 00 01 10 助记符 IN ADD addr STA addr OUT addr JMP addr 机器指令码 0 0H 1 0H XX H 2 0H XX H 3 0H XX H 4 0H XX H 选定的寄存器 R0 R1 R2 Addr地址码 功能说明 本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（最高4位二进制数为操作码）： “INPUT”中的数据→R0 R0+[addr] ->R0 R0 -> [addr] [addr] -> BUS addr →PC - - 24
其中IN为单字长（8位二进制），其余为双字长指令，XX H 为addr对应的十六进制地址码。
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，还必须设计三个控制台操作微程序。
1,存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 0”时，可对RAM连续手动读入操作。
2,存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 1”时，可对RAM连续手动写操作。
3、启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、
SWB为“1 1”时，即可转
图5-1 数据通路框图
入到微地址“01”号“取指
令”微指令，启动程序运行。
SWB SWA 控制台指令 0 0 读内存（KRD） 根据以上要求设计数据通路框图，如图5-1所示。 表5-1 24位微代码定义： 24 23 22 21 20 19 Cn 18 WE 17 A9 16 A8 15 14 13 A 12 11 10 B B字段 10 选择 0 1 RS-B 0 1 0 1 ALU-B 0 PC-B 0 1 987 C 6 uA5 1 1 5 uA4 写内存（KWE） 启动程序（RP） 4 uA3 3 uA2 2 uA1 1 uA0 S3 S2 S1 S0 M 表5-2 A、B、C各字段功能说明： 15 0 0 0 0 1 1 1 A字段 14 13 选择 0 0 0 1 LDRi 1 0 LDDR1 1 1 LDDR2 0 0 LDIR 0 1 LOAD 1 0 LDAR 12 0 0 0 0 1 1 1 11 0 0 1 1 0 0 1 9 0 0 0 0 1 1 1 8 0 0 1 1 0 0 1 C字段 7 选择 0 1 P（1） 0 1 0 P（4） 1 LDAR 0 LDPC 24位微代码中各信号的功能
(1) uA5—uA0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。
(2) S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器输出的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的某一种操作。
(3) M：微程序控制输出的ALU操作方式选择信号端。M＝0执行算术操作；M＝l执行逻辑操作。 (4) Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn＝0表示ALU运算时最低位有进位，Cn＝1则表示无进位。 (5)WE：微程序控制器输出的RAM控制信号。当/CE＝0时，如WE＝0为存储器读；如WE＝1为存储器写。 (6) A9、A8——译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B、RAM、LED的选通控制信号。 (7) A字段（15、14、13）——译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号（见表5-1）。
(8) B字段（12、11、10）——译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。 (9) C字段（9、8、7） ——译码后产生分支判断测试信号P(1)~P(4)和LDPC信号。
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