目錄14433實(shí)驗(yàn)1運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) 2115941.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2119281.2實(shí)驗(yàn)要求 2189451.3實(shí)驗(yàn)原理 270321.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 3304451.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 510731.6思考與分析 64078實(shí)驗(yàn)2存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn) 8232412.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?8220052.2實(shí)驗(yàn)要求 880402.3實(shí)驗(yàn)原理 8265222.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 10248482.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 12326352.6思考與分析 1316643實(shí)驗(yàn)3微程序控制器實(shí)驗(yàn) 14119093.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?14303053.2實(shí)驗(yàn)要求 14147413.3實(shí)驗(yàn)原理 14316953.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 18156363.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2079623.6思考與分析 213706實(shí)驗(yàn)4簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn) 23110634.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?23212094.2實(shí)驗(yàn)要求 23263894.3實(shí)驗(yàn)原理 23150784.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 27143564.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 3061654.6思考與分析 32實(shí)驗(yàn)1運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的工作原理。2）熟悉簡(jiǎn)單運(yùn)算器的電路組成。3）熟悉4位運(yùn)算功能發(fā)生器（74LS181）的算術(shù)、邏輯運(yùn)算功能。1.2實(shí)驗(yàn)要求1）做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，看懂電路圖，熟悉實(shí)驗(yàn)中所用芯片各引腳的功能和連接方法。2）按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟的要求，認(rèn)真仔細(xì)地完成實(shí)驗(yàn)。3）寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1.3實(shí)驗(yàn)原理運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)電路如圖2.1所示。兩片4位的74LS181構(gòu)成了8位字長(zhǎng)的ALU。兩個(gè)8位的74LS273作為工作寄存器DR1和DR2，用于暫存參與運(yùn)算的操作數(shù)。參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)開關(guān)通過三態(tài)門74LS245送入工作寄存器，ALU的運(yùn)算結(jié)果也通過三態(tài)門74LS245發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示燈上。參與運(yùn)算的操作數(shù)由SW7~SW0共8個(gè)二進(jìn)制開關(guān)來設(shè)置，當(dāng)SW-BUS=0時(shí)，數(shù)據(jù)通過三態(tài)門74LS245輸出到DR1和DR2。DR1接ALU的A輸入端口，DR2接ALU的B輸入端口。在P1的上升沿將數(shù)據(jù)打入DR1，送至74LS181的A輸入端口；在P2的上升沿將數(shù)據(jù)打入DR2，送至74LS181的B輸入端口。ALU由兩片74LS181構(gòu)成，其中74LS181(1)做低4位算術(shù)邏輯運(yùn)算，74LS181(2)做高4位算術(shù)邏輯運(yùn)算，74LS181(1)的進(jìn)位輸出信號(hào)Cn+4與74LS181(2)的進(jìn)位輸入信號(hào)Cn相連，兩片74LS181的控制信號(hào)S3~S0、M分別相連。運(yùn)算結(jié)果通過一個(gè)三態(tài)門74LS245輸出到數(shù)據(jù)顯示燈上。另外，74LS181(2)的進(jìn)位輸出信號(hào)Cn+4可另接一個(gè)指示燈，用于顯示運(yùn)算器進(jìn)位標(biāo)志信號(hào)狀態(tài)。1.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按照?qǐng)D2.1繪制運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)電路，生成實(shí)驗(yàn)電路如圖2.2所示：圖2.2進(jìn)行電路預(yù)設(shè)置，具體步驟如下：1）將ALU-BUS設(shè)為高電平，關(guān)閉ALU輸出端的三態(tài)門；2）將兩片74LS273的MR都設(shè)為高電平，否則74LS273會(huì)一直處于清零狀態(tài)。3.打開電源開關(guān)。4.設(shè)置SW7~SW0向DR1和DR2置數(shù)。以DR1=65H，DR2=A7H為例，具體步驟如下：1）將SW-BUS置0，打開數(shù)據(jù)輸入端的三態(tài)門；2）將數(shù)據(jù)開關(guān)的SW7~SW0置為01100101；3）發(fā)出P1單脈沖信號(hào)，在P1的上升沿，數(shù)據(jù)打入寄存器DR1；4）將數(shù)據(jù)開關(guān)的SW7~SW0置為10100111；5）發(fā)出P2單脈沖信號(hào)，在P2的上升沿，數(shù)據(jù)打入寄存器DR2。6）將SW-BUS置1，關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入端的三態(tài)門；5.檢驗(yàn)DR1和DR2中存的數(shù)是否正確。其具體操作如下：1）ALU-BUS=0，打開ALU輸出端的三態(tài)門；2）設(shè)置Cn=1，ALU無進(jìn)位輸入；3）將S3、S2、S1、S0、M置為00000，指示燈應(yīng)顯示DR1中數(shù)據(jù)01100101；4）將S3、S2、S1、S0、M置為10101，指示燈應(yīng)顯示DR2中數(shù)據(jù)10100111。6.驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能（采用正邏輯）。在給定DR1=65H，DR2=A7H的情況下，改變運(yùn)算器的功能模式，觀察運(yùn)算器的輸出，并填入表2-1，并和理論值進(jìn)行比較、驗(yàn)證。1.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1-1運(yùn)算器功能驗(yàn)證工作模式選擇S3S2S1S0算術(shù)運(yùn)算（M=0）（Cn=1無進(jìn)位）邏輯運(yùn)算（M=1）功能輸出值（16進(jìn)制）功能輸出值（16進(jìn)制）0000A65H9AH0001A+BE7H18H00107DH82H00110minus1FFHLogical00H0100AplusA5HDAH0101(A+B)plus27H58H0110AminusBminus1BDHA⊕BC2H0111minus13FH40H1000AplusAB8AHBFH1001AplusBCH3DH1010()plusABA2HBA7H1011ABminus124HAB25H1100AplusACAHLogical1FFH1101(A+B)plusA4CH7DH1110()plusAE2HA+BE7H1111Aminus164HA65H注意：A和B分別表示參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)，“+”表示邏輯或，“plus”表示算術(shù)求和1.6思考與分析1.運(yùn)算器主要由哪些器件組成？這些器件是怎樣連接的？運(yùn)算器是由算術(shù)邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成。2.芯片74LS181沒有減法：AminusB的指令，怎樣實(shí)現(xiàn)減法功能？在減法運(yùn)算時(shí),可用減法取反碼運(yùn)算后用加法器實(shí)現(xiàn)。3.74LS181有哪兩種級(jí)聯(lián)方法？分別要用到哪些引腳？哪一種速度更快？第一種是單級(jí)先行進(jìn)位的ALU用四片74181構(gòu)成的16位行波進(jìn)位的ALU，第二種為兩級(jí)先行進(jìn)位的ALU，分別是用四片74181構(gòu)成的16位行波進(jìn)位的ALU和用四片74181和一片74182構(gòu)成的16位并行ALU，第二種速度更快。

實(shí)驗(yàn)2存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的工作特性（2）掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的讀寫方法。2.2實(shí)驗(yàn)要求（1）做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，熟悉MEMORY6116芯片各引腳的功能和連接方式，熟悉其他實(shí)驗(yàn)元器件的功能特性和使用方法，看懂電路圖。（2）按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟的要求，認(rèn)真仔細(xì)地完成實(shí)驗(yàn)。（3）寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2.3實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)所用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器電路如圖2.1所示。數(shù)據(jù)開關(guān)(SW7-SW0)用于設(shè)置讀寫地址和欲寫入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，經(jīng)三態(tài)門74LS245與總線相連，通過總線把地址發(fā)送至AR，或把欲寫入的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)器芯片。靜態(tài)存儲(chǔ)器由一片6116(2K×8)構(gòu)成，但地址輸入引腳A8~A10接地，因此實(shí)際存儲(chǔ)容量為256字節(jié)，其余地址引腳A0~A7與AR相連,，讀和寫的地址均由AR給出。6116的數(shù)據(jù)引腳為輸入、輸出雙向引腳，與總線相連，既可從總線輸入欲寫的數(shù)據(jù)，也可以通過總線輸出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)燈顯示。共使用了兩組顯示燈，一組顯示從存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)，另一組顯示存儲(chǔ)單元的地址。 6116有三根控制線，為片選線，為讀線，為寫線，三者的有效電平均為低電平。當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，=0時(shí)進(jìn)行讀操作，=0進(jìn)行寫操作，本實(shí)驗(yàn)將接地，在此情況下，當(dāng)=0、=1時(shí)進(jìn)行讀操作；當(dāng)=0、=0時(shí)進(jìn)行寫操作。由于6116的信號(hào)是由WE控制信號(hào)與P1進(jìn)行與非運(yùn)算得來的，因此，WE=1時(shí)為寫操作，其寫時(shí)間與P1脈沖寬度一致。讀數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)開關(guān)上設(shè)置好要讀的存儲(chǔ)單元地址，并打開三態(tài)門74LS245，LDAR置1，發(fā)出一個(gè)P2脈沖，將地址送入6116，設(shè)置6116為讀操作，即可讀出數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)燈上顯示。寫數(shù)據(jù)時(shí)，先在數(shù)據(jù)開關(guān)上設(shè)置好要寫的存儲(chǔ)單元地址，并打開三態(tài)門74LS245，LDAR置1，發(fā)出一個(gè)P2脈沖，將地址送入6116，然后在數(shù)據(jù)開關(guān)上設(shè)置好要寫的數(shù)據(jù)，確保三態(tài)門打開，設(shè)置6116為寫操作，發(fā)出一個(gè)P1脈沖，即可將數(shù)據(jù)寫入。另外，圖2.1中尾巴上帶加粗標(biāo)記的線條為控制信號(hào)線，其余為數(shù)據(jù)線。實(shí)驗(yàn)電路中涉及的控制信號(hào)如下：1）：6116片選信號(hào)，為0時(shí)6116正常工作。2）：存儲(chǔ)器讀信號(hào)，=0，=0時(shí)為讀操作，實(shí)驗(yàn)中將其接地，恒置為0。3）WE：寫信號(hào)，=0，在恒為0的情況下，WE=1為寫操作，WE=0為讀操作。4）P1：脈沖信號(hào)，當(dāng)WE=1、P1=1時(shí)，6116進(jìn)行寫操作。5）LDAR：對(duì)地址寄存器AR進(jìn)行加載的控制信號(hào)，LDAR=1時(shí)為加載狀態(tài)。6）P2：脈沖信號(hào)，當(dāng)LDAR=1時(shí)，在上升沿將地址載入AR.74LS273觸發(fā)器在時(shí)鐘輸入為高電平或低電平時(shí)，輸入端的信號(hào)不影響輸出，僅僅在時(shí)鐘脈沖的上升沿，輸入端數(shù)據(jù)才發(fā)送到輸出端，同時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存。7）：開關(guān)輸出三態(tài)門使能信號(hào)，為0時(shí)將74LS245輸入引腳的值從輸出引腳輸出，即將SW7~SW0數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線。2.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從左邊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表選取所需組件拖到工作區(qū)中，按照?qǐng)D2.1所示組建實(shí)驗(yàn)電路，得到如圖2.2所示的實(shí)驗(yàn)電路。注意：圖2.2中沒有使用總線，元器件通過兩兩之間連線實(shí)現(xiàn)彼此連接。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以選用總線來連接器件。進(jìn)行電路預(yù)設(shè)置，具體步驟如下：將74LS273的置1，AR不清零；=1，RAM6116未片選；=1，三態(tài)門關(guān)閉。打開電源開關(guān)。存儲(chǔ)器寫操作。向01H、02H、03H、04H、05H存儲(chǔ)單元分別寫入十六進(jìn)制數(shù)據(jù)11H、12H、13H、14H、15H，具體操作步驟如下(以向01號(hào)單元寫入11H為例)：將SW7~SW0置為00000001，=0，打開三態(tài)門，將地址送入BUS；LDAR=1，發(fā)出P2單脈沖信號(hào)，在P2的上升沿將BUS上的地址存入AR，可通過觀察AR所連接的地址燈來查看地址，=1關(guān)閉三態(tài)門；=0，WE=1，6116寫操作準(zhǔn)備（注意：此時(shí)=1，因而會(huì)讀出此地址原有數(shù)據(jù)）；將SW7~SW0置為00010001，=0，打開三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送入BUS；發(fā)出P1單脈沖信號(hào)，在P1的上升沿將BUS上的數(shù)據(jù)00010001寫入RAM的01地址；=1，6116暫停工作，=1關(guān)閉三態(tài)門。按上述步驟完成02H、03H、04H、05H存儲(chǔ)單元相應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。提示：可以使用“工具”菜單中的“存儲(chǔ)器芯片設(shè)置”實(shí)時(shí)查看存儲(chǔ)器芯片中的數(shù)據(jù)。注意本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的6116芯片中預(yù)存了一些代碼和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器讀操作。依次讀出01H、02H、03H、04H、05H單元中的內(nèi)容，觀察上述單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。具體操作步驟如下（以從01號(hào)單元讀出數(shù)據(jù)11H為例）：將SW7~SW0置為00000001，=0，打開三態(tài)門，將地址送入BUS；LDAR=1，發(fā)出P2單脈沖信號(hào)，在P2的上升沿將BUS上的地址存入AR中，可通過觀察AR所連接的地址燈來查看地址，=1，關(guān)閉三態(tài)門；=0，WE=0，6116進(jìn)行讀操作，觀察數(shù)據(jù)燈是否為先前寫入的00010001；=1，6116暫停工作。2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）從05號(hào)單元讀出數(shù)據(jù)15H時(shí)的實(shí)驗(yàn)電路截圖；（2）通過“工具”菜單中的“存儲(chǔ)器芯片設(shè)置”查看存儲(chǔ)器芯片中數(shù)據(jù)時(shí)的界面截圖。2.6思考與分析1.靜態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器與動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要區(qū)別是什么？靜態(tài)RAM（SRAM）速度非?？欤灰娫创嬖趦?nèi)容就不會(huì)自動(dòng)消失。集成度相對(duì)較低，功耗也較大。一般高速緩沖存儲(chǔ)器用它組成。動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）的內(nèi)容在10-3或l0-6秒之后自動(dòng)消失，因此必須周期性的在內(nèi)容消失之前進(jìn)行刷新。由于它的基本存儲(chǔ)電路由一個(gè)晶體管及一個(gè)電容組成，因此它的集成度高，成本較低，另外耗電也少，但它需要一個(gè)額外的刷新電路。DRAM運(yùn)行速度較慢，SRAM比DRAM要快2~5倍，一般，PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器都采用DRAM組成。2.由兩片6116（2K*8）怎樣擴(kuò)展成（2K*16）或（4K*8）的存儲(chǔ)器？怎樣連線？?jī)善M(jìn)行位（豎著排兩個(gè)）拓展擴(kuò)展成2K×16，將兩片存儲(chǔ)器的地址、片選CS、讀寫控制端R/W相應(yīng)并聯(lián)，數(shù)據(jù)端分別引出。兩位進(jìn)行字?jǐn)U展（橫著排兩個(gè)）擴(kuò)展成4K×8，數(shù)據(jù)線與兩片的數(shù)據(jù)端相連，地址總線的低位地址與兩片的11位地址端相連，而高位地址經(jīng)過譯碼器和片選端相連。實(shí)驗(yàn)3微程序控制器實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握微程序控制器的組成原理和工作過程。（2）理解微指令和微程序的概念，理解微指令與指令的區(qū)別和聯(lián)系。（3）掌握指令操作碼與控制存儲(chǔ)器中微程序的對(duì)應(yīng)方法，熟悉根據(jù)指令操作碼從控制存儲(chǔ)器中讀出微程序的過程。3.2實(shí)驗(yàn)要求（1）做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，讀懂實(shí)驗(yàn)電路圖，熟悉實(shí)驗(yàn)元器件的功能特性和使用方法。（2）按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟的要求，獨(dú)立思考，認(rèn)真仔細(xì)地完成實(shí)驗(yàn)。（3）寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3.3實(shí)驗(yàn)原理圖3.1為實(shí)驗(yàn)電路圖，其中3片EPROM2716構(gòu)成控制存儲(chǔ)器，1片74LS175為微地址寄存器，與74LS175數(shù)據(jù)輸入引腳相連的輸入信號(hào)線及6個(gè)門電路構(gòu)成了地址轉(zhuǎn)移邏輯。注意，2716輸出信號(hào)中帶后“#”的信號(hào)為低電平有效信號(hào)，不帶后綴“#”的信號(hào)為高電平有效信號(hào)。為簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)沒有使用微命令寄存器，并且在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將3片EPROM組合為一個(gè)虛擬EPROM組件。本實(shí)驗(yàn)使用的EPROM和時(shí)序發(fā)生器一樣，均為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的虛擬組件。圖3.1微程序控制器電路實(shí)驗(yàn)電路中涉及的主要控制信號(hào)如下：（1）：2716芯片的片選信號(hào)。為0時(shí)2716正常工作，實(shí)驗(yàn)中將其接地，恒置為0。（2）：2716讀信號(hào)。=0，=0時(shí)為讀操作，實(shí)驗(yàn)中將其接地，恒置為0。（3）：芯片74LS175的清零信號(hào)，低電平有效。（4）T1：微地址加載信號(hào)，在T1的上升沿將微地址鎖存到74LS175。（5）IR5~IR7：指令操作碼的輸入信號(hào)，這幾條信號(hào)線本應(yīng)與指令寄存器的輸出引腳相連，但在本實(shí)驗(yàn)中，與數(shù)據(jù)開關(guān)相連，指令操作碼通過數(shù)據(jù)開關(guān)手動(dòng)設(shè)置。：PC的置數(shù)信號(hào)，為0時(shí)PC工作在置數(shù)模式，可在此模式下為PC設(shè)置初值。LDR0：R0的數(shù)據(jù)載入信號(hào)，為1時(shí)將數(shù)據(jù)存入R0。LDIR：IR的加載信號(hào)，為1時(shí)將指令鎖存到IR。LDPC：PC的加載信號(hào)，為1時(shí)執(zhí)行清零、置數(shù)或計(jì)數(shù)操作。：PC輸出三態(tài)門使能信號(hào)，為0時(shí)將PC的值輸出到總線。：R0芯片的輸出控制信號(hào)，為0時(shí)將R0中的數(shù)據(jù)輸出到總線。在存儲(chǔ)邏輯型計(jì)算機(jī)中，一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)了一個(gè)微程序，不同的機(jī)器指令對(duì)應(yīng)了不同的微程序，執(zhí)行一條指令其實(shí)就是運(yùn)行其對(duì)應(yīng)的一個(gè)微程序，微程序由微指令組成，是微指令的有序集合。微程序是在設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)就預(yù)先設(shè)計(jì)好并且固化在只讀存儲(chǔ)器中的，以后每當(dāng)要執(zhí)行某條指令時(shí)，只需找到并運(yùn)行其對(duì)應(yīng)的微程序?？刂拼鎯?chǔ)器專門用于存放微程序，在本實(shí)驗(yàn)中，控制存儲(chǔ)器由3片EPROM2716組成，為了減少連線的復(fù)雜度，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)把三片EPROM2716集成到一片芯片上，因此，本實(shí)驗(yàn)所用到的是EPROM2716×3(2K×24位)，其中地址輸入引腳為A10~A0，實(shí)驗(yàn)中僅用到A3~A0，高7位地線A4~A10接地，實(shí)際存儲(chǔ)容量為16×3字節(jié)。Q0~Q23這24個(gè)輸出引腳與24位的微指令相對(duì)應(yīng)。 微指格式如表3-1所示，采用全水平型，字長(zhǎng)24位，其中操作控制字段19位，全部采用直接表示法，不使用譯碼器，每一位表示一個(gè)微命令，用于發(fā)出全機(jī)的操作控制信號(hào)：順序控制字段5位，包括后續(xù)微地址μA3~μA0和判別位P1，用于決定下一條微指令的地址。表3-1微指令格式位232221201918171615141312控制信號(hào)S3S2S1S0MWELDR0LDDR1LDDR2位11109876543210控制信號(hào)LDIRLDPCLDARP(1)μA3μA2μA1μA0地址轉(zhuǎn)移邏輯電路用于產(chǎn)生下一條微指令的地址，主要由兩級(jí)與門、或門構(gòu)成。地址轉(zhuǎn)移邏需要用到的數(shù)據(jù)信號(hào)有：后續(xù)微地址μA3~μA0、判別位P1、指令操作碼IR7~IR5。當(dāng)判別位P1=0時(shí)，下一條微指的地址即為后續(xù)微地址μA3~μA0；當(dāng)判別位P1=1時(shí)，下一條微指令的地址由指令操作碼IR7~IR5決定，一般是將操作碼進(jìn)行簡(jiǎn)單變換，把變換后的值作為下一條微指令的地址，此地址就是該操作碼對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址。 微地址寄存器74LS175為控制存儲(chǔ)器提供微指令地址，當(dāng)=0時(shí)，微地址寄存器清零，從控制存儲(chǔ)器00H地址開始執(zhí)行微程序，地址轉(zhuǎn)移邏輯生成下一條微指令的地址。此后，每當(dāng)T1上升沿到來時(shí)，新的微指令地址會(huì)打入微地址寄存器，控制存儲(chǔ)器隨即輸出這條微指令，地址轉(zhuǎn)移邏輯繼而生成下一條微指令的地址。如果時(shí)序信號(hào)連續(xù)發(fā)生，微指令也會(huì)按一定的順序接連輸出。 為了教學(xué)簡(jiǎn)單明了，本實(shí)驗(yàn)僅用到四條機(jī)器指令：IN(輸入)、ADD(加法)、STA(存數(shù))、JMP(無條件轉(zhuǎn)移)，操作碼分別為000、001、010、011，指令格式如表3-1所示。表3-2機(jī)器指令格式助記符機(jī)器碼（A為內(nèi)存地址8bit）長(zhǎng)度功能IN000XXXXXX8bitSW→R0ADD001XXXXXXA16bitR0+(A)→R0STA010XXXXXXA16bitR0→(A)JMP011XXXXXXA16bitA→PC(程序跳轉(zhuǎn)到A地址執(zhí)行)上述四條指令的微程序流程設(shè)計(jì)如圖3.2所示，其中一個(gè)方框就對(duì)應(yīng)一條微指令，方框右上角的數(shù)字為八進(jìn)制表示的微地址。一個(gè)方框也表示一個(gè)CPU周期，執(zhí)行一條微指令需要一個(gè)CPU周期。四條指令對(duì)應(yīng)四個(gè)微程序，每個(gè)微程序包括N條微指令，需要執(zhí)行N個(gè)CPU周期。 圖3.2中的每條微指令都按照表3-1的格式編寫了二進(jìn)制代碼,并預(yù)存在控制存儲(chǔ)器芯片

EPROM22716×3中。其中部分微指令二進(jìn)制代碼如表3-3所示，注意：微地址用八進(jìn)制表示。圖3.2微程序流程圖3.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按照?qǐng)D3.1繪制實(shí)驗(yàn)電路，生成如圖3.3所示電路。電路預(yù)設(shè)置：將EPROM2716芯片、、A4、A5引腳置0，微地址寄存器74LS175的置0，時(shí)序發(fā)生器的Step置1。打開電源。此時(shí)由于=0，微地址寄存器清零，給出微程序入口地址00H，控制存儲(chǔ)器隨之輸出第00號(hào)微指令。將設(shè)置為1，否則微地址寄存器會(huì)一直處于清零狀態(tài)。將IR7~IR5均設(shè)置為0，思考并回答問題：若此時(shí)連續(xù)不斷地發(fā)出時(shí)序信號(hào)，微程序的執(zhí)行流程是怎樣的？請(qǐng)按順序?qū)懗銮?0條微指令的地址。位23222120191817161514131211109876543210地址S3S2S1S0MCn#CE#WELOAD#LDR0LDDR1LDDR2LDIRLDPCLDARALU-B#PC-B#SW-B#R0-B#P(1)μA3μA2μA1μA0000000011010000001111000010100000110000001011010001002000001101000011101100011030000010010001001111110000405060710000001101100000110100010110000011010000111011001001200000110100001110110110013000001101000011101101110141516表3-3微程序二進(jìn)制代碼表圖3.3控制器虛擬實(shí)驗(yàn)電路連續(xù)單擊Start按鈕，觀察微指令的輸出順序，檢驗(yàn)控制存儲(chǔ)器輸出的微指令是否與表3-3中的相符，驗(yàn)證上一步預(yù)測(cè)的順序是否正確。設(shè)置IR7~IR5的不同組合，用單步方式分別讀出ADD、STA和JMP三條指令的微程序，用后續(xù)微地址和判別指示燈跟蹤微程序執(zhí)行及轉(zhuǎn)移情況，將表3-3中缺少的微程序代碼補(bǔ)充完整。思考并回答問題：若不改變控制器實(shí)驗(yàn)電路，IN、ADD、STA和JMP四條指令的微程序在控制存儲(chǔ)器中的存放位置是否可以隨意安排？有什么限制？為什么？3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)需要記錄的結(jié)果是回答3.4節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟中，第5、7、8步提出的問題：若此時(shí)連續(xù)不斷地發(fā)出時(shí)序信號(hào)，微程序的執(zhí)行流程是怎樣的？答：此時(shí)連續(xù)不斷地發(fā)出時(shí)序信號(hào)，由于IR7~IR5的選擇始終為000，所以在選擇機(jī)器指令的時(shí)候始終都是IN，運(yùn)行結(jié)束后會(huì)回到02地址處的指令重新開始，如此循環(huán)。前十條微指令的地址為（八進(jìn)制）01→02→03→10→02→03→10→02→03→102.將表3-3補(bǔ)充完整。3.若不改變控制器實(shí)驗(yàn)電路，IN、ADD、STA和JMP四條指令的微程序在控制存儲(chǔ)器中的存放位置是否可以隨意安排？有什么限制？為什么？答：一系列微指令的有序集合稱為微程序。存儲(chǔ)控制器是按照一定的時(shí)序規(guī)則對(duì)存儲(chǔ)器的訪問進(jìn)行必要控制的設(shè)備。上述四條微程序在控制存儲(chǔ)器中的存放位置不可以隨意安排，這四條微程序是有一定的時(shí)序規(guī)則的，必須要放在指定的位置，才可以完成工作流程。否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的訪問出現(xiàn)錯(cuò)誤。3.6思考與分析微程序控制器主要由哪些部件組成？各部件的功能是什么？微程序控制器由指令寄存器IR、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)字寄存器PSW、時(shí)序系統(tǒng)、控制存儲(chǔ)器CM、微指令寄存器以及微地址形成電路、微地址寄存器等部件組成本實(shí)驗(yàn)中，地址轉(zhuǎn)移邏輯電路是怎樣利用判別測(cè)試字段（P字段）實(shí)現(xiàn)微程序分支的？當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，需要通過判別測(cè)試字段P和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，進(jìn)而修改微地址寄存器的內(nèi)容，此任務(wù)由地址轉(zhuǎn)移邏輯完成。測(cè)試字段P相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，只有當(dāng)P為1的時(shí)候狀態(tài)信息才能夠通過線路影響到下一個(gè)指令的地址，否則狀態(tài)信息經(jīng)過與門后都會(huì)變?yōu)?，無法起作用。如果把微程序控制器看作一個(gè)黑盒子，那么它的輸入信號(hào)有哪些？這些信號(hào)是哪些部件提供給它的？它的輸出信號(hào)有哪些？這些信號(hào)是發(fā)送給哪些部件的？輸入信號(hào)是微程序的地址，信號(hào)是由IR和PSW提供的。輸出信號(hào)是微命令，這些信號(hào)發(fā)給存儲(chǔ)器和運(yùn)算器。實(shí)驗(yàn)4簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過總線將微程序控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等聯(lián)機(jī)，組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)。（2）用微程序控制器控制模型機(jī)數(shù)據(jù)通路，運(yùn)行由4條機(jī)器指組成的簡(jiǎn)單程序。（3）掌握微指令與機(jī)器指令的關(guān)系，建立整機(jī)概念。4.2實(shí)驗(yàn)要求（1）做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，復(fù)習(xí)微指令和機(jī)器指令的概念，讀懂實(shí)驗(yàn)電路圖，熟悉實(shí)驗(yàn)元器件的功能特性和使用方法。（2）對(duì)于實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的問題，在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先給出答案，以便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。（3）在實(shí)驗(yàn)過程中單步運(yùn)行微程序，注意理解微程序與程序的聯(lián)系和區(qū)別。（4）寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。4.3實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)綜合了前面實(shí)驗(yàn)的電路，將運(yùn)算器模塊、存儲(chǔ)器模塊和控制器模塊通過總線連接在一起，組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型機(jī)，其電路如圖5.1所示。圖4.1簡(jiǎn)單模型機(jī)總框圖實(shí)驗(yàn)電路中涉及的主要控制信號(hào)如下：（1）M：選擇ALU的運(yùn)算模式(M=0，算術(shù)運(yùn)算；M=1，邏輯運(yùn)算)（2）S3，S2，S1，S0：選擇ALU的運(yùn)算類型。如M=0時(shí)，設(shè)為1001表示加法運(yùn)算。（3）：向ALU最低位輸入的進(jìn)位信號(hào)，=0時(shí)有進(jìn)位輸入，=1時(shí)無進(jìn)位輸入。（4）

LDDR1：DR1的數(shù)據(jù)加載信號(hào)，LDDR1=1時(shí)在T4的上升沿將數(shù)據(jù)鎖存到DR1。（5）LDDR2：DR2的數(shù)據(jù)加載信號(hào)，LDDR2=1時(shí)在T4的上升沿將數(shù)據(jù)鎖存到DR2.。（6）：ALU輸出三態(tài)門使能信號(hào)，為0時(shí)將ALU運(yùn)算結(jié)果輸出到總線。（7）：開關(guān)輸出三態(tài)門使能信號(hào)，為0時(shí)將SW7~SW0數(shù)據(jù)發(fā)送到總線。（8）：PC輸出三態(tài)門使能信號(hào)，為0時(shí)將PC的值輸出到總線。（9）：PC的置數(shù)信號(hào)，為0時(shí)PC工作在置數(shù)模式，可在此模式下為PC設(shè)置初值。（10）LDPC：PC的加載信號(hào)，為1時(shí)在T4的上升沿執(zhí)行清零、置數(shù)或計(jì)數(shù)操作。（11）：R0芯片的輸出控制信號(hào)，為0時(shí)將R0中的數(shù)據(jù)輸出到總線。（12）LDR0：R0的數(shù)據(jù)載入信號(hào)，為1時(shí)在T4上升沿將數(shù)據(jù)存入R0。（13）LDIR：IR的加載信號(hào)，當(dāng)LDIR=1時(shí)在T3的上升沿將指令鎖存到IR。（14）：6116片選信號(hào)，為0時(shí)6116正常工作。（15）WE：存儲(chǔ)器寫信號(hào)，在=0、=0的條件下，當(dāng)WE=1且T3=1時(shí)進(jìn)行寫操作，否則進(jìn)行讀操作。（16）LDAR：AR的地址加載信號(hào)，當(dāng)LDAR=1時(shí)在T3的上升沿將地址鎖存到AR。（17）T1~T4：時(shí)序信號(hào)，對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU周期。（18）Ts，So，Se，Sa：Ts為時(shí)鐘源輸入，So為停止信號(hào)，Sa為開始信號(hào)，Se為單步運(yùn)行。在控制器實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)按照AR中的指令逐條取出對(duì)應(yīng)的微指令。在本實(shí)驗(yàn)中，程序存儲(chǔ)在RAM中，微程序存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從RAM里逐條取出指令放入IR，并按照IR中的指令自動(dòng)從控制存儲(chǔ)器讀出相應(yīng)的微程序執(zhí)行。本實(shí)驗(yàn)用到的微指令長(zhǎng)度為24bit，微指令格式如表5-1所示。表4-1微指令格式位232221201918171615141312控制信號(hào)S3S2S1S0MWELDR0LDDR1LDDR2位11109876543210控制信號(hào)LDIRLDPCLDARP(1)μA3μA2μA1μA0本實(shí)驗(yàn)使用的微程序流程如圖4.2所示。圖4.2微程序流程圖對(duì)應(yīng)的微程序代碼存放在控制存儲(chǔ)器中，如表4-2所示。表5-2微程序二進(jìn)制代碼表位23222120191817161514131211109876543210地址S3S2S1S0MCnCEWELOADLDR0LDDR1LDDR2LDIRLDPCLDARALU-BPC-BSW-BR0-BP(1)μA3μA2μA1μA00000000110100000011110000101000001100000010110100010020000011010000111011000110300000100100010011111100004000001001001001111100101050000011010100001110001100610010110110000001110001007000001001000001111101100100000011011000001101000101100000110100001110110010012000001101000011101100111130000011010000111011011011400000101100000011100001015000001000000010111100010一條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，一個(gè)微程序是多條微指令的有序集合。模型機(jī)共包含4條指令，指令格式如表4-3所示。本實(shí)驗(yàn)用這4條指令編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單程序，并已存入RAM。RAM中的程序和數(shù)據(jù)如表4-4所示。表4-3機(jī)器指令格式助記符機(jī)器碼（A為內(nèi)存地址8bit）長(zhǎng)度功能IN000XXXXXX8bitSW→R0ADD001XXXXXXA16bitR0+(A)→R0STA010XXXXXXA16bitR0→(A)JMP011XXXXXXA16bitA→PC(程序跳轉(zhuǎn)到A地址執(zhí)行)表4-4RAM中的程序和數(shù)據(jù)地址（八進(jìn)制）內(nèi)容含義0000000000IN（開關(guān)數(shù)據(jù)自定）0100100000ADD020000100010（八進(jìn)制）0301000000STA040000100111（八進(jìn)制）0501100000JMP060000000000071000001011114.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按照?qǐng)D5.1繪制實(shí)驗(yàn)電路，生成如圖5.3所示電路。圖4.3簡(jiǎn)單模型機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)電路圖4.3簡(jiǎn)單模型機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)電路打開電源開關(guān)。進(jìn)行電路預(yù)設(shè)置。將DR1、DR2和AR的置1，將計(jì)數(shù)器的、ENT、ENP置1，時(shí)序發(fā)生器的Step置1（可在開電源之前設(shè)置）。微地址寄存器74LS175和指令寄存器IR的置1。此時(shí)微地址寄存器和IR已初始化為零，模型機(jī)將從控制存儲(chǔ)器的零地址開始運(yùn)行。在數(shù)據(jù)開關(guān)（SW7~SW0）上設(shè)置好程序的起始地址（00000000）。單擊1次時(shí)序發(fā)生器的Start按鈕，思考并回答問題：此時(shí)執(zhí)行的是微程序流程圖中的第幾條微指令？作用是什么？再單步執(zhí)行兩條微指令，思考并回答問題：這兩條微指令的作用是什么？通過數(shù)據(jù)開關(guān)(SW7~SWO）設(shè)置操作數(shù)1的值為10100。思考并回答問題:此設(shè)置是否可以提前?如果可以最早應(yīng)該在以上第幾步之后?可以提前，第5步之后。單擊Start，執(zhí)行微指令SW→R0，將操作數(shù)1保存到累加器R0中。繼續(xù)單步執(zhí)行之后的微指令，直到第一輪循環(huán)結(jié)束。在此過程中注意觀察總線上數(shù)據(jù)燈的顯示，并說明每個(gè)顯示出來的數(shù)字的意義，將表5-5補(bǔ)充完整。表4-5總線數(shù)據(jù)表序號(hào)總線上數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）微指令編號(hào)（八進(jìn)制）意義（地址用二進(jìn)制表示）10000000102當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址0120000001002遞增1后的PC值30010000003內(nèi)存地址01中的ADD指令操作碼40000001010當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址1050000001111遞增1后的PC值60000100004內(nèi)存地址10中的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)也是一個(gè)地址70000101104，05內(nèi)存地址1000中的數(shù)據(jù)80001010006R0中的數(shù)據(jù)90001111107DR1+DRA2及（A）與R0相加后的結(jié)果100000001102當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址11110000010002遞增1后PC值120100000003內(nèi)存地址11中的STA指令操作碼130000010012當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址100140000010112遞增1后的PC值150000100114內(nèi)存地址100中的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)也是一個(gè)地址160000000014內(nèi)存地址1001中的數(shù)據(jù)170001111115R0中的數(shù)據(jù)加法的和180000010102當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址101190000011002遞增1后的PC值200110000003內(nèi)存地址101中的JMP指令操作碼210000011013當(dāng)前PC的值，即內(nèi)存地址110220000011113遞增1后的PC值230000000016內(nèi)存