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计算机组成原理微程序控制器

任课教师:张芳、许建龙

《计算机组成原理》

(2013-2014学年第2学期)

学号:

姓名:

班级:

微程序控制器实验报告

一、实验目的:

1)了解TEC-2机控制器部件的组成

2)熟练掌握56位微指令中各字段的含义

3)可以通过微码自己用监控程序编程序,实现两数相加和相减,以及更复杂

的操作

二、实验仪器:

主机一台

三、简要原理:

1.TEC-2机的控制器部件的组成

TEC-2机控制器部件的关键内容包括:

(1)由7片LS6116随机读写存储器芯片组成的56位字长的微程序控制存储器,用于存放TEC-2机的微程序。其内容在刚加电时不定,加电后将首先从2片ROM(LS2716芯片)中读出固化的、用于实现53条机器指令的微程序,经组织后写入这一控制存储器,这一过程称为装入微码。装入完成后,将从监控程序的零地址执行指令,完成TEC-2机的启动过程。这之后,还可以用LDMC指令按规定的办法向控制存储器写入新的微程序,以实现新的机器指令。从简化逻辑框图上可以看到,控制存储器的地址为μRA9~μRA0,读出的信息送微指令流水线寄存器PLR。

(2)微指令寄存器PLR由7片8位的寄存器芯片(6片LS374和1片LS273)组成,用于存放当前微指令的内容,更具体的说明将在后面给出。

(3)微程序定序器AM2910芯片(其内部结构、引脚信号和运行原理等稍候详细说明),是微程序控制器中非常关键、也是稍微难懂一点的部分。在学习中要正确理解。它的核心功能是依据机器的运行状态与当前微指令的有关内容等,正确地形成下一条微指令的地址,以保证微程序按要求的微指令序列关系自动地逐条衔接执行。

(4)程序计数器PC和当前指令地址寄存器IP,是用运算器通用寄存器组中的两个选定的寄存器R5和R6实现的,这在图上见不到。

(5)指令寄存器IR,用于存放当前正在执行的指令内容。

(6)为AM2910提供输入地址信号的配套线路,包括:

①由两片LS2716 ROM芯片组成的MAPROM,它将指令寄存器中的操作码转换成一段微程序的入口地址;

②由l片LS125和1片LS244组成的接收内部总线的IB9~IB0信号的选择门电路,它把由水平板上的开关提供的微指令地址送AM2910的地址输入端;

③由1片LS125和微指令寄存器的PLR55~48组成的一组地址输入,把当前微指令中的后续地址B55~46送入AM2910的地址输入端;请注意,1片LS125(共4位独立的输入和输出端)分成两组(每组两位)分别用于②和③两项用途。

这三组信号均为10位宽,且为互斥关系,分别由AM2910芯片提供的3个互斥控制信号/MAP、/VECT和/PL加以选通。

(7)由AM2910芯片的10位地址输出信号驱动的配套电路,包括:

①由一片LSl75和一片LS374寄存器组构成的记忆电路,用于保存当前微指令的地址,其输出仅送往显示灯部分,以显示当前微指令的地址;

②由3片LS257(四位的二选一电路)芯片构成的微控存的地址选择形成电路,它实现在AM2910的10位输出地址与存储器地址寄存器的低10位地址之间的选择,结果送往微控存的地址输入端,用于完成微控存单元的读写操作;选择信号是Smux。

③与此有关的还有3片计数器芯片LS161组成的地址计数器电路,其输出(共10位)通过两片LS244与刚提到的3片LS257的10位输出形成“线或”关系,用计数器的一个输出端Y11实现二者之间的选择,Y11为0时,μRA9~μRA0是计数器的输出信号,提供完成装入微码过程的微控存的地址,Y11为1时,表明装入微码的过程已结束,微控存的地址μRA9~μRA0为3片LS257的输出信号,以完成机器指令运行过程中的微控存的读、写(写仅用于LDMC指令)操作。(8)由2片LS2716ROM芯片组成的、固化的微码保存电路及读写控制电路。这是为机器加电后完成装入微码所配备的专用线路。除2片LS2716外,还有前边提到的3片LS161芯片(计数器),1片LSl61芯片,2片LS244、l片Gal20v8、1片LS74、l片LSl23和1片LS00。其连接关系在逻辑线路图(二)的右下部分。这一部分不是学习控制器部件的重点内容,后面还会简单说明其实现原理与运行过程。

2.TEC-2机控制器部件实现中的一些技术问题

(1)关于微码装入问题

前边已简单地提到过TEC-2机的微码装入问题。TEC-2机支持64条基本机器指令,已实现了53条指令。相应这53条机器指令的微程序保存在2片LS2716ROM芯片中,这2片LS2716ROM组成了一个专用的2K容量的16位固定存储器。它每4个相邻的字用于存放一条56位字长的微指令,其中第4个字的最高8位未用,用零填充。为了把每一条微指令装入微控存,就必须分4次依次读出4个16位的字,并分别送到56位字长的LDR寄存器的不同的16位(最高位部分只有8位)部分,然后一次写入56位的微控存中。为此,设立了两个地址计数器。第一个计数器由3片4位的计数器LSl61芯片组成,加电时使其被清零,以后每来一个特定的工作脉冲使其计数一次。它的输出,一方面用作微控存写入单元的地址,又用作读ROM芯片的高9位地址。读ROM 芯片的最低两位地址则由第2个计数器提供,这是个用一片计数器电路LSl61芯片接成4分频的计数器,每计满4次则给出一个脉冲输出信号,用作为第一个计数器的特定计数脉冲,保

证第二个计数器每计满4次,第一个计数器才计数一次,两个计数器的输出拼接成11位的地址,用于读ROM的字地址。第2个计数器的4次计数的不同状态,还用于控制把从ROM中读出的内容写入LDR寄存器的不同部分,图上用LRCP0、LRCPl、LRCP2和LRCP3表示。当读完ROM 的所有单元(共2048个字),计数器的Y11将从0变为1,则结束微码装入操作。这里请注意,微控存的地址是通过3选1逻辑给出的,即靠Smux实现对AM2910的10位输出和存储器的地址寄存器的低10位输出的2选l,靠Y11和/Y11实现的对2选1的10位输出与计数器的10位输出经两片LS244的“线或”选择。逻辑图上可以看得清楚,两片LS244的输出和3片2选l的输出都标明为μRA9~μRA0,实现中它们的相应位是接在一起的。LDMC/RESET按钮都会启动微程序代码的装入操作过程,详细线路参见逻辑线路图(二)右下角部分的内容。

(2)微指令格式

每条微指令由56位组成,从高向低各位标记为B55~B0,分为13个字段,如下所示:

表1.5.1 微指令的56位微码

计算机组成原理微程序控制器

计算机组成原理微程序控制器

56位微码分放在7片存储器芯片中。

18位微码用于控制与给出每条微指令的下地址,供控制器部件本身使用。其中:B55~B46的10位微码是下地址字段;B45、B44位备用;

B43~B40为CI3~CI0,是用于给出AM2910芯片的16种命令码的编号;

B39~B37、B36分别为3位的SCC和1位的SC,给出AM2910芯片的条件判断信号/CC的选择码,用于保证微指令的条件转移等;

提供给运算器部件的控制信号有26位,分别是:

A口地址、B口地址、A口和B口地址选择控制信号SA、SB,合计共10位;

3组3位的AM2910的控制信号MI8~MI6、MI5~MI3、MI2~MI0共9位;

控制标志寄存器写入的SST、最低位进位控制SCi、移位信号形成的SSH 3个字段共7位。它们的使用方法已在运算器部件的讨论中讲述清楚。

还有3位微码/MIO、REQ和/WE用于控制内存的读写、外设接口的读写、以及微码的装入。其规定如下表1.5.2所示:

表1.5.2

计算机组成原理微程序控制器

(3)TEC-2机的微程序设计

①下一条微指令的地址的形成

微程序设计的关键技术之一,是处理好每条微指令的下地址,以保证微程序正确、高效地执行。在TEC-2机中,这是通过一片微程序定序器AM2910芯片实现的。

·AM2910芯片的内部结构

AM2910芯片的内部结构框图如图1.5.1所示。

AM2910包括一个四输入的多路地址选择器,用来选择寄存器/计数器(R),直接输入(D),微程序计数器(uPC)或微堆栈(F)中的一个作为下一条微指令的地址。

寄存器/计数器由12个D型触发器组成。当它用作寄存器时,主要用于保存一个微地址,用以实现微程序分支;当它用作计数器时,具有减一功能(何时减一,取决于AM2910的命令码),主要用于控制微程序的循环次数,若装入的初值为N,则可执行N+1次。

微程序计数器由12位增量器和12位寄存器组成。当增量器的进位输入CI为高电平时,多路器的输出Y加1后装入μPC(即μPC←Y十1),用于实现微程序的顺序执行;而当CI为低电平时,多路器的输出Y直接装入μPC(即μPC←Y),用于实现同一条微指令的多次执行。

微堆栈是由5字×12位的寄存器堆和微堆栈指针μSP组成,主要用于保存微子程序调用的返回地址和微程序循环的首地址。微堆栈指针μSP总是指向最后一次压入的数据,因此,执行微程序循环时,允许不执行弹出操作而直接访问微堆栈的栈顶。当堆栈中的数据达到5个时,就发出堆栈已满信号(/FULL=0),这时,任何压入操作都将覆盖掉栈顶的数据。

AM2910输出3个使能信号:/PL,/MAP和/VECT,用以决定直接输入D的来源。

当/PL有效时(即/PL=0),D来源于微指令的下地址字段,用于实现微程序转移;当/MAP 有效时(即/MAP=0),D来源于MAPROM,用于实现从机器指令到相应的微程序段的转移;当/VECT有效时(即/VECT=0),原意D来源于中断向量,现用于接收手拨微地址。

·AM2910引脚的定义

输入线:

D11~D0:外部直接输入的数据,既可作为寄存器/计数器的初值,也可直接经地址多路选择器从Y输出,作为下一条微指令的地址。

I3~I0:AM2910的命令码,来自微指令字的有关字段,用以选择AM2910的16条命令之一。/CC:条件输入,若为低电平,则表示测试成功,否则,表示测试失效。

/CCEN:/CC允许信号,若为低电平,则表示/CC有效,否则,不管/CC是什么状态,测试条件为永真。

/RLD:寄存器/计数器装入信号,当为低电平时,不管AM2910所执行的命令和测试条件如何,都强制把直接输入D11~D0装入。

/OE:Y输出允许信号,低电平有效,当为高电平时,Y输出为高阻态。

CP:时钟脉冲信号,由低变高的上升边沿触发所有内部状态的变化。

输出线:

Y11~Y0:下一条微指令的地址,它直接作为控制存储器的地址。

/FULL:微堆栈满信号,低电平有效。

/PL、/MAP、/VECT:3个使能信号,用于决定直接输入D的来源。

·AM2910的功能与具体用法

表1.5.5给出了AM2910的一部分功能,这些功能是由命令码I3~I0,条件输入/CC、/CCEN以及计数器当前值组合的结果。

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