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

1 0 0 0

启动程序运行

1 0 0 1

写存储器

1 0 1 0

读存储器

1 0 1 1

读寄存器

1 1 0 0

写寄存器

1 1 0 1

运算器组成实验

1 1 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。

  1. 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

  1. 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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