程序计数器(PC)原理图
地址寄存器(MAR)原理图
本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（1010 1000）、OUT（1010 1100）和JMP（1110 0111），括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下：
助记符 机器指令码 说明 IN 1010 1000 IN -> R0 ADD 0000 0000 R0 + R0 -> R0 OUT 1010 1100 R0 -> OUT 1110 0111 JMP addr8 addr8->PC ******** 无条件跳转指令JMP是双字节指令，11100111是指令码，********是8位二进制地址码。
微程序控制器实验的指令是通过开关区的拨动开关手动给出的，本实验由CPU通过PC单元提供8位地址、控制总线单元CBus提供存贮器读写信号nM_RD、nM_WR，从存贮器MEM单元读取指令并运行。新的数据通路图如下：
数据通路图
在数据通路图中可以看出，在微程序控制器实验的基础上增加了三个部件：MAR、PC、MEM。在微指令中需要增加相应的控制位。 微指令字长共 32位，控制位顺序如下表： 微指令格式 位 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 信号SP_nrALwPiEnd wA wB wIR rRDi rRi A字段 名 OE U SW 位 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11-8 信号CN_rPPC+nMAnPCOnINnWM_nnRD S3..S0 名 I C 1 ROE E TA R IO 位 7-0 信号uM_PC7..uM_PC0 名
A字段 23 22 选择 0 0 NOP 0 1 wRi 1 0 wPC 1 1 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。 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。 SP_nOE:允许堆栈输出地址。SP_nOE低电平，在T1、T2、T3时刻，堆栈寄存器SP中数据输出到地址总线上。
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。
wPC：写PC。wPC低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到PC中。 wMAR：写地址寄存器MAR。wMAR低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到地址寄存器MAR中。
wPSW: 不允许影响标志寄存器PSW。wPSW低电平，在T3的下降沿，将ALU中当前运算结果（对标志位的影响）写入标志寄存器PSW；wPSW高电平，任何时刻，不影响PSW。例如：PUSH指令需要在压栈前，SP堆栈寄存器-1（放到ALU中运算），不允许像DEC（-1）指令一样影响标志位（PSW）。 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 rPC：读PC。rPC低电平，在T1、T2时刻，PC数据输出到iDBus上。 PC+1：允许PC+1。PC+1信号高电平，在T3的下降沿，PC+1->PC。
nMAROE：允许MAR输出地址。nMAROE低电平，在T1、T2、T3时刻，MAR中数据输出到地址总线上。
nPCOE: 允许PC输出地址。nPCOE低电平，在T1、T2、T3时刻，PC中数据输出到地址总线上。
注意：nPCOE、nMAROE、SP_nOE三个信号在任意时刻只允许一个信号有效 nINTA：中断响应信号。 M_nIO nRD nWR 有效期 读1 0 1 T2，T3（rALU=1） MEM(nM_RD) 写1 1 0 T2 MEM(nM_WR) 读1 0 1 T2，T3（rALU=1） I/O(nIO_RD) 写I/O(nIO 1 1 0 T2 _WR)
本系统上的指令译码规则： 译码输出地址 微地址范围 机器码IR7..IR0 说明 IR_A7..IR_A0 IR_A7..IR_A0 00-7FH 00001，IR6..IR4 08H-0FH 80-9FH 00110, IR4..IR2 30H-37H B8-BFH译码为A0-DFH 00，IR6..IR2,0 10H-2FH 1EH E0-EFH 010,IR3..IR0,0 40H-5FH F0-F3H 04H-07H 04H-07H F8-FFH 00111,IR2..IR0 38H-3FH 指令译码电路在IR单元的CPLD中实现。 四条机器指令对应的参考微程序流程图如下图所示。取指后译码，使微程序产生分支。
微程序流程图
将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码： 地HEX 高八A字21，19-12CN_I 址 位 段 位 00 6F0ED001 6F 00 0 0 11101101 08 3B0AF009 3B 00 0 0 10101111 09 5D0AF00A 5D 00 0 0 10101111 0A 7E4AF800 7E 01 0 0 10101111 14 7F4AC000 7F 01 0 0 10101100 16 7D0AA000 7D 00 0 0 10101010 4E 7F8AD000 7F 10 0 0 10101101 二进制微代码表 地HEX 高八A字21，19-12CN_I 址 位 段 位 00 6F0ED001 6F 00 0 0 11101101 08 3B0AF009 3B 00 0 0 10101111 09 5D0AF00A 5D 00 0 0 10101111 0A 7E4AF800 7E 01 0 0 S3-S0 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 uM_PC7..uM_PC0 01 09 0A 00 00 00 00 S3-S0 0000 0000 0000 1000 uM_PC7..uM_PC0 01 09 0A 00 14 16 3F 7F49C000 7F 01 00 00 7D09A000 7D 7F0AF03F 7F 10101111 0 10011100 0 10011010 0 10101111 0 0 0 0000 0000 0000 00 00 3F 设计一段机器程序，要求从IN单元读入一个数据，存于R0，将R0和自身相加，结果存于R0，再将R0的值送OUT单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。 地址 内 容 助记符 说明 00000000 1010 1000 ;START：IN R0 ;从IN单元读入数据送
R0
00000001 0000 0000 ; ADD R0，R0 ;R0 + R0 -> R0 00000010 1010 1100 ; OUT R0 ;R0的值送OUT单元显示 00000011 1110 0111 ; JMP START ;跳转至00H地址 00000100 0000 0000
三. 实验过程和图片
1、连线说明： uM单元：S0、S1、S2、S3(JP1) —— ALU单元：S0、S1、S2、S3(JP18) uM单元：wA、wB、rALU、—— ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP4) CN_I(JP19) uM单元：rRi、wRi —— ALU单元：rR0、wR0 uM单元：rRdi ALU单元：rRd0 uM单元：wIR(JP10) —— IR单元：wIR(JP32) uM单元：M_nIO、nRD、nWR、—— CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP2) nINTA(JP42) ALU单元：IN0..7(JP22) —— iDBus单元：iD0..7(JP38) ALU单元：—— iDBus单元：iD0..7(JP37) ALU_D0..ALU_D7(JP25) ALU单元：iD0..iD7(JP24) —— iDBus单元：iD0..7(JP36) IR单元：D0..D7(JP35) —— iDBus单元：iD0..7(JP41) IR单元：IR_A0..IR_A7(JP30) —— uPC单元：IR_A0..IR_A7(JP12) IN单元：IN0..IN7(JP101) —— DBus单元：D0..D7(JP52) IN单元：nCS、nRD(JP100) —— CBus单元：IO_nCE0、nIO_RD(JP49) OUT单元：nCS、nWR(JP68) —— CBus单元：IO_nCE0、nIO_WR(JP48) OUT单元：I0..I7(JP69) —— DBus单元：D0..D7(JP54) OUT单元：OUT0..OUT7(JP70) —— 扩展区单元：JP67 MEM单元：A0..A7(JP72) —— ABus单元：A00..A07(JP56) MEM单元：D0..D7(JP73) —— DBus单元：D0..D7(JP53) MEM单元：M_nRD、—— CBus单元：nM_RD、nM_WR(JP44)