实验五 微程序控制器实验
一、实验目的
(1) 掌握微程序控制器的组成原理。
(2) 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。
二、实验内容
微程序设计思想是由剑桥大学的M.V.Wilkes教授首先提出的，为每一条机器指令编写一个微程序，每一个微程序包含一条或几条微指令，每一条微指令对应一个或几个控制各部件动作的微操作指令。然后把这些微程序存到一个控制存贮器中，用寻找用户程序机器指令的方法寻找每个微程序中的微指令。由于这些微指令是以二进制代码形式表示的，每位代表一个控制信号，因此，逐条执行每一条微指令，也就相应地完成了一条机器指令的全部操作；由于控制信号是以二进制代码的形式出现的，因此只要修改微指令的代码，就可改变操作内容，便于调试、修改、甚至增删机器指令，有利于计算机仿真。
微程序控制器原理框图
微程序控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由CON单元来提供，分为三拍T1、T2、T3。
微程序控制器的组成见下图，采用四片6116或2816作为微存贮器，微命令寄存器32位，用四片8D触发器（74HC574）组成。
在取指周期的T2下降沿，读取的8位指令数据锁存到指令寄存器(IR)中；T3时刻，根据IR、状态条件（例如：进位标志位、零标志位等），译码生成该机器指令对应的微地址（该机器指令对应uM的首地址），送入微地址寄存器(uPC)；如果不在取指周期，uPC的微地址来自于微指令寄存器的低8位（该机器指令对应的后续微地址）；在T3的下降沿，将控制存贮器中输出的微指令锁存到微指令寄存器中。
微程序控制器原理图
CON单元有一组按键，与开关区的拨动开关组合，可用来对存贮器MEM、控制存贮器uM读写操作：EXEC按键上方有一指示灯，复位后，指示灯亮，表示实验仪处于运行状态，STEP
键、uSTEP键、iSTEP键、PULSE键有效；按一次EXEC键，实验仪切换到编辑状态，ADDR键、+1键、-1键、uM/M键、nRD键、nWR键有效；再按一次EXEC键，实验仪又切换到运行状态。如果在编辑状态时，使用按键，修改过MEM或uM的地址、数据，从编辑状态切换到运行状态后，请按一次nRST复位键，使实验仪回复初始设置（复位PC、uPC、微程序控制器等）。
以向uM的00H单元中写入44332211为例，对控制存贮器进行写入的具体操作步骤如下： （1）如果EXEC键上方指示灯熄灭，表示实验仪在uM、MEM编辑状态，转第二步；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯熄灭
（2）如果uM/M键上方指示灯亮，表示处于uM编辑状态，直接转第三步；否则，按uM/M键一次，使uM/M键上方指示灯点亮
（3）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）
（4）IN单元开关给出该控存单元数据的低八位（00010001），按一次nWR键，低八位数据写入6116/2816的同时，打入uM7-0对应的锁存器中，uM单元的uM0、uM4灯点亮，uM1-3、uM5-7指示灯熄灭
（5）按一次+1键，准备写该控存单元的15-8位；IN单元开关给出数据（00100010），按一次nWR键，15-8数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM15-8对应的锁存器中，uM单元的uM9、uM13灯点亮，uM8、uM10-12、uM14-15指示灯熄灭
（6）按一次+1键，准备写该控存单元的23-16位；IN单元开关给出数据（00110011），按一次nWR键，23-16位数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM23-16对应的锁存器中，uM单元的uM16、uM17、uM20、uM21灯点亮，uM18、uM19、uM22、uM23指示灯熄灭
（7）按一次+1键，准备写该控存单元的最高8位；IN单元开关给出数据（01000100），按一次nWR键，最高8位数据写入最后一片6116/2816的同时，打入uM31-24对应的锁存器中，uM单元的uM26、uM30灯点亮，uM24-25、uM27-29、uM31指示灯熄灭
如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）
编辑完成后进行校验。以校验00H单元为例，对于控制存贮器uM进行校验的具体操作步骤如下：
（1）确认EXEC键上方指示灯熄灭；uM/M将上方指示灯点亮 （2）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）
（3）按一次nRD键，从6116/2816（低八位）读出数据，打入uM7-0对应的锁存器中，uM7-0指示灯显示数据（00010001）
（5）按一次+1键，准备读该控存单元的15-8位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（中八位）读出数据，打入uM15-8对应的锁存器中，uM15-8指示灯显示数据（00100010）
（6）按一次+1键，准备读该控存单元的23-16位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（高八位）读出数据，打入uM23-16对应的锁存器中，uM23-16指示灯显示数据（00110011）
（6）按一次+1键，准备读该控存单元的31-24位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（最高八位）读出数据，打入uM31-24对应的锁存器中，uM31-24指示灯显示数据（01000100）
如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001） 如果按一次-1键，uPC-1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000000）；按nRD或nWR键一次，对uM31-24（最高八位）对应的芯片操作；继续按-1键，依次对高八位、中八位、低八位对应的芯片操作；减至低8位后，再按动-1键一次，微地址uPC会自动减一，继续对下一个单元的操作。
如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。
微指令字长共 32位，控制位顺序如下表：
微指令格式
位 信号名 位 信号名 位 信号名 31 iEnd 20 CN_I 30 wA 19 rPC 29 wB 18 PC+1 28 wIR 17 nMAROE 27 SP_nOE 16 nPCOE 26 rRDi 15 nINTA 25 rRi 14 nWR 24 rALU 13 nRD 23 22 21 wPSW 11-8 S3..S0 A字段 12 M_nIO 7-0 uM_PC7..uM_PC0
A字段 23 0 0 1 1 22 0 1 0 1 选择 NOP wRi wPC wMAR 其中uM_PC7..uM_PC0为8位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。 本实验用到的控制位：
wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。 wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。 wIR:写指令寄存器IR。wIR为低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到IR。 rRDi：读通用寄存器。rRDi低电平，在T1时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上。
rRi: 读通用寄存器。rRi低电平，在T2时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上；在T3时刻，如果rALU信号为高电平，通用寄存器中数据也输出到iDBus上。
rALU：允许ALU结果输出到iDBus上。rALU低电平，在T3时刻，ALU的运算结果输出到iDBus上，这时rRi、nRD只在T2时刻有效，T3时刻让出iDBus。
wRi：写通用寄存器。wRi低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到通用寄存器中。 CN_I、S3..S0：控制ALU执行何种操作，详细请参阅基本运算器实验 读I/O(nIO_RD) 写I/O(nIO _WR) M_nIO 0 0 nRD 0 1 nWR 1 0 有效期 T2，T3（rALU=1） T2 本系统上的指令译码规则： 机器码IR7..IR0 00-7FH 80-9FH A0-DFH E0-EFH F0-F3H F8-FFH 译码输出地址 IR_A7..IR_A0 00001，IR6..IR4 00110, IR4..IR2 00，IR6..IR2,0 010,IR3..IR0,0 04H-07H 00111,IR2..IR0 微地址范围 IR_A7..IR_A0 08H-0FH 30H-37H 10H-2FH 40H-5FH 04H-07H 38H-3FH 说明 B8-BFH译码为1EH 指令译码电路在IR单元的CPLD中实现 本实验只使用了微控器产生的部分控制信号；除了ALU、通用寄存器R0、指令寄存器IR、指令译码电路外，还要用到IN和OUT单元,由微控器出来的信号M_nIO、nWR和 nRD三个信号控制，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码，其译码原理如下图：
读写控制逻辑
IR单元原理图
R0原理图 OUT单元原理图