《计算机组成原理》实验指导书
实验五、微处理器原理
一．实验目的
通过本实验，将在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。 ? 掌握微处理器的工作原理； ? 掌握微程序编写；
? 掌握微程序的调试和执行。
二．实验设备
1． TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
三．实验原理
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控制硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微指令序列成为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器。
实验所用的时序控制电路框图如图4.4-1 所示，可产生４个等间隔的时序信号TS1～TS4，其中Φ为时钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。图中STEP（单步）是来自实验板上方中部的一个二进制开关STEP 的模拟信号。START 键是来自实验板上方左部的一个微动开关START 的按键信号。当STEP 开关为０时（EXEC），一旦按下START 启动键，时序信号TS1～TS4 将周而复始地发送出去。当STEP 为１（STEP）时，一旦按下SATRT 启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU 周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连续运行时，如果STEP 开关臵“１”（STEP），也会使机器停机，或使CLR 开关执行1→0→1 操作也可以使时序清零。时序状态图见图4.4-7。
由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接，即将时序电路的时钟脉冲输入端ф接至方波信号发生器输出端H23 上，按动启动键START 后，就可产生时序信号TS1～TS4。时序电路的CLR 已接至实验板右下方的CLR 模拟开关上。
图4.4-1 时序控制电路框图
微程序控制电路与微指令格式 ①微程序控制电路
微程序控制器的组成见图4.4-2，其中控制存储器采用３片2816 的E2PROM,具有掉电保护功
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能，微命令寄存器18 位，用两片8D 触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。微地址寄存器6 位，用三片正沿触发的双D 触发器（74）组成，它们带有清“０”端和预臵端。在不判别测试的情况下，T2 时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4 时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强臵端将某一触发器臵为“１”状态，完成地址修改。
在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816 中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。
②微指令格式
微指令字长共24 位，其控制位顺序如表4.4-1：
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图4.4-2 微控器实验原理图
表4.4-1
其中UA5～UA0 为6 位的后续微地址，A、B、C 为三个译码字段，分别由三个控制位 译码出多位。C 字段中的P（1）～P（4）是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微 代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行， 其原理如图4.4-3 所示，图中I7～I2 为指令寄存器的第7～2 位输出，SE5～SE1 为微控器单 元微地址锁存器的强臵端输出。AR 为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有 效。B 字段中的RS-B、R0-B、RI-B 分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址 寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1 及R2 的选通译码， 其原理如图4.4-4，图中I0～I4 为指令寄存器的第0～4 位，LDRi 为打入工作寄存器信号的 译码器使能控制位。
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图4.4-3 指令译码
图4.4-4 寄存器译码
四．实验步骤
（1）图4.4-5 为所设计的几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指 令格式变成二进制代码，可得到表4.4-2 的二进制代码表。
图4.4-5 微程序流程图
上图中一个矩形方框表示一条微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的
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