微程序控制器设计与实现
计算机组成原理实验报告
重庆理工大学《计算机组成原理》实验报告学号 __***********____姓名 __张致远_________专业 __软件工程_______学院 _计算机科学与工程二0一六年四月二十三实验一基本运算器实验报告一、实验名称基本运算器实验二、完成学生：张致远班级115030801 学号11503080109三、实验目的1．了解运算器的组成结构。
2．掌握运算器的工作原理。
四、实验原理：两片74LS181 芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。
右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。
低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连，使低4位运算产生的进位送进高4位。
低位芯片的进位输入端Cn可与外来进位相连，高位芯片的进位输出到外部。
两个芯片的控制端S0～S3 和M 各自相连，其控制电平按表2.6-1。
为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用锁存器74LS273 实现）来锁存数据。
要将内总线上的数据锁存到DR1 或DR2 中，则锁存器74LS273 的控制端LDDR1 或LDDR2 须为高电平。
当T4 脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1 或DR2 中了。
为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245 实现）。
若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245 的控制端ALU-B 置低电平。
否则输出高阻态。
数据输入单元(实验板上印有INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。
其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。
总线数据显示灯（在BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。
控制信号中除T4 为脉冲信号，其它均为电平信号。
由于实验电路中的时序信号均已连至“W/R UNIT”单元中的相应时序信号引出端，因此，需要将“W/R UNIT”单元中的T4 接至“STATE UNIT”单元中的微动开关KK2 的输出端。
计算机组成原理习题 第五章
第五章一．填空题1.控制器由于设计方法的不同可分为型、型和型控制器。
2.控制器在生成各种控制信号时，必须按照一定的进行，以便对各种操作实施时间上的控制。
3.微程序控制的计算机中的控制存储器CM是用来存放的。
4.在微指令的字段编码法中，操作控制字段的分段并非是任意的，必须遵循的分段原则中包括：①把性的微命令分在同一段内；②一般每个小段要留出一个状态，表示。
5.微指令分为和微指令两类，微指令可以同时执行若干个微操作，所以执行机器指令的速度比微指令快。
6.在CPU中，指令寄存器的作用是，其位数取决于；程序计数器的作用是，其位数取决于。
7.指令周期是，最基本的指令周期包括和。
8.根据CPU访存的性质不同，可将CPU的工作周期分为、、和。
9.在CPU中保存当前正在执行的指令的寄存器是，保存下一条指令地址的寄存器是，保存CPU访存地址的寄存器是。
10.中断判优可通过和实现，前者速度更快。
11.中断服务程序的入口地址可通过和寻找。
12.在硬件向量法中，可通过两种方式找到服务程序的入口地址，一种是，另一种是。
13.CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫做，它常常用若干个来表示，而后者又包含有若干个。
14.程序顺序执行时，后继指令的地址由形成，遇到转移指令和调用指令时，后继指令的地址从获得。
15.控制器在生成各种控制信号时，必须按照一定的进行，以便对各种操作实施时间上的控制。
16.机器X和Y的主频分别是8MHz和12MHz，则X机的时钟周期为µs。
若X机的平均指令执行速度为0.4MIPS，则X机得平均指令周期为µs。
若两个机器的机器周期内时钟周期数相等，则Y机得平均执行速度为MIPS。
17.一个主频为25MHz的CPU，平均每条指令包含2个机器周期，每个机器周期包含2个时钟周期，则计算机的平均速度是。
如果每两个机器周期中有一个用于访存，而存储器速度较慢，需再插入2个时钟周期，此时指令周期为µs。
计算机组成原理实验教程完整版课件全
02
实验原理
03
实验内容
01
实验目的
实验目的
（1）理解累加器的概念和作用。 （2）连接运算器、存储器和累加器，熟悉计算机的数据通路。 （3）掌握使用微命令执行各种操作的方法。
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02
实验原理
数据通路总框图：
实验原理
03
实验内容
实验内容
（1）在已有电路中加入一个74LS374芯片作为累加寄存器。 （2）设计微命令，使用累加器完成一次加法运算。
目录
Contents
01
实验目的
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实验原理
03
实验内容
01
实验目的
实验目的
1) 熟悉多思计算机组成原理网络虚拟实验系统的使用方法。 2）掌握全加器的逻辑结构和电路实现方法。
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02
实验原理
实验原理
（1）全加器是一个三输入，两输出的逻辑部件， 三个输入：被加数Ai、加数Bi和低位的进位Ci， 两个输出：本位和Si和向高位的进位Ci+1，
实验原理
总线与微命令实验数据通路图：
实验原理
03
实验内容
实验内容
（1）运行虚拟实验系统，导入总线与微命令电路。 （2）执行A+B的微命令。 （3）设计并执行C-D的微命令。
谢谢欣赏
感谢使用计算机组成原理多思网络虚拟实验系统
实验五 累加器
基于多思网络虚拟实验系统
目录
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实验目的
谢谢欣赏
感谢使用计算机组成原理多思网络虚拟实验系统
实验六 程序计数器
基于多思网络虚拟实验系统
目录
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实验目的
第5章控制器原理
• 因为对比较简单的指令，将有很多节拍是 不用的，处于等待。所以，在实际应用中 都不采用这种典型的同步控制方式，而是 采用某些折衷的方案。
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（2）异步控制方式
• 异步控制方式：没有统一的同步信号，采用 问答方式进行时序协调，将前一操作的回答 信号作为下一操作的启动信号。
• ② 微操作 由微命令控制实现的最基本的 操作。
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• ③ 微指令 用以产生一组微命令，控制完成 一组微操作的二进制编码字称为微指令。
• ④ 微程序：一系列微指令的有序集合称为 微程序。
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程序、指令、微程序、微指令、微命令、微操 作的关系
微指（ 令 1 微命1、 令微命2令 、 微命令 n）
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控制方式可分为： （1）同步控制 （2）异步控制 （3）联合控制
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（1）同步控制方式
• 同步控制方式：任何指令的运行或指令中各 个微操作的执行，均由确定的具有统一基准 时标的时序信号所控制。
• 即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准 的时间内完成。
• 在同步控制方式下，每个时序信号的结束就 意味着对应操作的完成，随即开始执行后续 的微操作或下条指令的运行。
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②指令寄存器 IR
指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。
③指令译码器 ID
指令译码器是指令分析部件，对指令寄存器 中的指令操作码进行译码分析，产生相应 操作的控制电位，提供给微操作控制信号 形成部件。
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④地址形成部件
计算机组成原理实验报告
计算机组成原理实验报告实验报告运算器实验⼀、实验⽬的掌握⼋位运算器的数据传输格式，验证运算功能发⽣器及进位控制的组合功能。
⼆、实验要求完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运⽤。
三、实验原理实验中所⽤的运算器数据通路如图2-3-1所⽰。
ALU运算器由CPLD描述。
运算器的输出FUN经过74LS245三态门与数据总线相连，运算源寄存器A和暂存器B的数据输⼊端分别由2个74LS574锁存器锁存，锁存器的输⼊端与数据总线相连，准双向I/O 输⼊输出端⼝⽤来给出参与运算的数据，经2⽚74LS245三态门与数据总线相连。
图2-3-1运算器数据通路图中A WR、BWR在“搭接态”由实验连接对应的⼆进制开关控制，“0”有效，通过【单拍】按钮产⽣的脉冲把总线上的数据打⼊，实现运算源寄存器A、暂存器B的写⼊操作。
四、运算器功能编码算术运算逻辑运算K23~K0置“1”，灭M23~M0控位显⽰灯。
然后按下表要求“搭接”部件控制路。
表2.3.2 运算实验电路搭接表算术运算1.运算源寄存器写流程通过I/O单元“S7~S0”开关向累加器A和暂存器B置数，具体操作步骤如下：2.运算源寄存器读流程关闭A、B写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读A、B。
3.加法与减法运算令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），为算术加，FUN及总线单元显⽰A+B的结果令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），为算术减，FUN及总线单元显⽰A－B的结果。
逻辑运算1.运算源寄存器写流程通过“I/O输⼊输出单元”开关向寄存器A和B置数，具体操作步骤如下：2.运算源寄存器读流程关闭A、B写使能，令K17= K18=1，按下流程分别读A、B。
①若运算控制位设为（M S2 S1 S0=1111）则F=A，即A内容送到数据总线。
②若运算控制位设为（M S2 S1 S0=1000）则F=B，即B内容送到数据总线。
《计算机组成原理》学生实验报告
《计算机组成原理》学生实验报告（2011~2012学年第二学期）专业：信息管理与信息系统班级： A0922学号：10914030230姓名：李斌目录实验准备------------------------------------------------------------------------3 实验一运算器实验-----------------------------------------------------------7 实验二数据通路实验-------------------------------------------------------13 实验三微控制器实验--------------------------------------------------------18 实验四基本模型机的设计与实现------------------------------------------22实验准备一、DVCC实验机系统硬件设备1、运算器模块运算器由两片74LS181构成8位字长的ALU。
它是运算器的核心。
可以实现两个8位的二进制数进行多种算术或逻辑运算，具体由74181的功能控制条件M、CN、S3、S2、S1、S0来决定，见下表。
两个参与运算的数分别来自于暂存器U29和U30（采用8位锁存器），运算结果直接输出到输出缓冲器U33（采用74LS245，由ALUB信号控制，ALUB=0，表示U33开通，ALUB=1，表示U33不通，其输出呈高阻），由输出缓冲器发送到系统的数据总线上，以便进行移位操作或参加下一次运算。
进位输入信号来自于两个方面：其一对运算器74LS181的进位输出/CN+4进位倒相所得CN4；其二由移位寄存器74LS299的选择参数S0、S1、AQ0、AQ7决定所得。
触发器的输出QCY就是ALU结果的进位标志位。
QCY为“0”，表示ALU结果没有进位，相应的指示灯CY灭；QCY为“1”，表示ALU结果有进位，相应的指示灯CY点亮。
机器指令执行
实验四微程序控制器设计实验一、实验目的(1)掌握时序产生器的组成原理。
(2)掌握微程序控制器的组成原理。
(3)加深理解微指令与机器指令的关系。
二、实验电路1.时序发生器TEC-4计算机组成原理实验系统的时序电路如图6所示。
图6 时序信号发生器图电路采用2片GAL22V10(U6，U7)，可产生两级等间隔时序信号T1－T4和W1－W4，其中一个W 由一轮T1－T4循环组成，它相当于一个微指令周期或硬联线控制器的一拍，而一轮W1－W4循环可供硬联线控制器执行一条机器指令。
本实验不涉及硬联线控制器。
微程序控制器只使用时序信号T1－T4，产生T信号的功能集成在GAL22VlO芯片TIMER1(U6)中，另外它还产生节拍信号W1、W2、W3、W4的控制时钟CLK1。
TIMER1的输入信号中，MF接实验台上晶体振荡器的输出，频率为1MHz。
T1至T4的脉冲宽度为100ns。
CLR(注意，实际上是控制台上的CLR#信号，因为ABEL语言的书写关系改为CLR，仍为低有效信号)为复位信号，低有效。
实验仪处于任何状态下令CLR# = 0，都会使时序发生器和微程序控制器复位(回到初始状态)，CLR# = l时，则可以正常运行。
复位后时序发生器停在T4、W4状态，微程序地址为000000B。
建议每次实验仪加电后，先用CLR#复位一次。
控制台上有一个CLR#按钮，按一次，产生一个CLR#负脉冲，实验台印制板上已连好控制台CLR#到时序电路CLR的连线。
TJ(停机)是控制器的输出信号之一。
连续运行时，如果控制信号TJ = l，会使机器停机，停止发送时序脉冲T1－T4、W1－W4，时序停在T4。
在实验台上为了将时序信号发生器的输入信号TJ和控制存储器产生的TJ信号区分开来，以便于连线操作，在实验台上时序信号发生器的输入信号TJ命名为TJI，而控制存储器产生的信号TJ仍命名为TJ。
QD(启动)是来自启动按钮QD的脉冲信号，在TIMER1中，对QD用MF进行了同步，产生QD1和QD2。
山东大学计算机组成原理课程设计实验报告
运算器结构如下图所示。R0、R1、R2 均为 D 触发器组成的八位寄存器，在打入 脉冲 CPRi 的作用下，接收数据输入端提供的信息送入 Ri 中。
μIR23-16 为微指令寄存器的高八位，可定义为操作数。进位信号 C0、打入脉冲 CPR0、CPR1、CPR2、M、S0、S1、S2、S3 均由微指令寄存器的 μIR8 和 μIR7--μIR0 产生。
算术逻辑运算单元 ALU 的设计
该部分中算术逻辑运算单元用两片 74LS181 芯片按如下图所示结构实现八位 组间串行进位运算器。
74LS181 功能表如下图所示。
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计算机一班 鸿武 QQ:2420430689(2 号)
ALU 的实现电路图如下。
实验调试
将设计完成的电路图下载到 FPGA 中。按照前面所给的 74LS181 功能表编写 微指令，并写入到 ROM 中，微指令从 0 地址单元开始存放。
微程序控制的存储器读写系统设计............................................... 7 设计目的................................................................. 7 设计要求................................................................. 7 结构与信号索引........................................................... 8 微指令格式及微指令编制................................................... 8
微程序控制的运算器设计详细电路图 ........................................ 22 微程序控制的存储器读写系统设计详细电路图 ................................ 24 微程序设计模型机详细电路图.............................................. 25 硬布线控制的模型机详细电路图............................................ 34
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微程序控制器设计与实现
一、引言
微程序控制器是一种用于实现计算机指令执行的控制单元，它通过微指令的方
式来控制计算机的操作。
本文将详细介绍微程序控制器的设计与实现，包括设计原理、实现步骤和性能评估等方面的内容。
二、设计原理
微程序控制器的设计原理主要包括微指令的编码和解码、微指令存储器的设计、微指令的执行等方面。
1. 微指令的编码和解码
微指令是对计算机指令进行细化和抽象的表示形式，它由一系列控制信号组成。
在微程序控制器中，需要将每个微指令编码为一个唯一的二进制码，并通过解码器将二进制码转换为相应的控制信号。
2. 微指令存储器的设计
微指令存储器是存储微指令的关键组件，它通常由一组存储单元组成，每个存
储单元存储一个微指令。
微指令存储器的设计需要考虑存储容量、读写速度和可靠性等因素。
3. 微指令的执行
微指令的执行是微程序控制器的核心功能，它通过控制信号的传递和处理来实
现计算机指令的执行。
在执行过程中，需要根据当前指令的操作码和操作数，从微指令存储器中读取相应的微指令，并按照微指令的要求执行相应的操作。
三、实现步骤
微程序控制器的设计与实现可以按照以下步骤进行：
1. 确定指令集和指令格式
根据计算机的需求和应用场景，确定需要支持的指令集和指令格式。
指令集和
指令格式的确定将直接影响微程序控制器的设计和实现。
2. 编码和解码微指令
根据指令集和指令格式，设计并实现微指令的编码和解码逻辑。
编码和解码逻
辑需要将指令转换为相应的微指令，并将微指令转换为控制信号。
3. 设计微指令存储器
根据微指令的数量和存储要求，设计并实现微指令存储器。
微指令存储器的设
计需要考虑存储容量、读写速度和可靠性等因素。
4. 实现微指令的执行逻辑
根据微指令的要求，设计并实现微指令的执行逻辑。
执行逻辑需要根据当前指
令的操作码和操作数，从微指令存储器中读取相应的微指令，并按照微指令的要求执行相应的操作。
5. 验证和调试微程序控制器
在实现过程中，需要对微程序控制器进行验证和调试。
验证和调试的目的是确
保微程序控制器的设计和实现符合预期，并能够正确地执行计算机指令。
四、性能评估
对于微程序控制器的性能评估可以从以下几个方面进行：
1. 存储容量
微指令存储器的存储容量直接影响微程序控制器能够支持的指令数量和复杂度。
评估微指令存储器的存储容量是否满足实际需求。
2. 时钟周期
微程序控制器的时钟周期决定了指令执行的速度。
评估微程序控制器的时钟周期是否满足实际需求，并与其他计算机组件进行协调。
3. 可靠性
微程序控制器的可靠性是指其在长时间运行和在不同环境条件下的稳定性。
评估微程序控制器的可靠性，包括对其在不同工作负载下的稳定性和故障处理能力的评估。
4. 扩展性
微程序控制器的扩展性是指其能够适应不同的计算机架构和指令集。
评估微程序控制器的扩展性，包括对其在不同计算机架构下的适用性和可扩展性的评估。
五、结论
微程序控制器是一种用于实现计算机指令执行的控制单元，通过微指令的方式来控制计算机的操作。
本文详细介绍了微程序控制器的设计原理、实现步骤和性能评估等方面的内容。
通过合理的设计和实现，微程序控制器能够有效地支持计算机指令的执行，并提高计算机系统的性能和可靠性。