实验四：组合逻辑控制器实验

1实验四：组合逻辑控制器实验一、实验目的1、深入理解计算机控制器的功能和组成；2、学习和掌握计算机各类典型指令的执行流程；3、学习组合逻辑控制器的控制原理和相关技术。二、实验说明1、TEC-XP+计算机的指令分类TEC-2000指令系统按指令的功能和执行步骤可划分为A、B、C、D四组：A组：主要完成通用寄存器之间的数据传送或运算，以及少数特殊操作，在取指后一步完成。基本指令：ADD，SUB，AND，OR，XOR，CMP，TEST，MVRR，INC，DEC，SHR，SHL，JR，JRC，JRNC，JRZ，JRNZ扩展指令：ADC，SBB，NOT，RCL，RCR，ASR，STC，CLC，EI，DI，JRS，JRNS，JMPRB组：需完成一次主存读/写操作，或IO读/写操作，在取指后二步完成。第一步向地址寄存器送入16位（或8位的I/O端口）地址，第二步完成读、写操作。基本指令：LDRR，STRR，PUSH，POP，PSHF，POPF，MVRD，IN，OUT，JMPA，RETC组：完成两次主存读/写操作（间址操作），在取指令后三步完成。第一次读出的数据是操作数的地址，读出后直接（或经过一次加法运算）将其送入地址寄存器，省掉第二次内存读/写操作的地址传送步骤。CALR指令先用第2步保存PC内容到堆栈，第3步把寄存器中的子程序入口地址传送到程序计数器PC中。扩展指令：CALR，LDRA，STRA，LDRX，STRXD组：完成两次内存的读、写操作，在取指之后四步完成。基本指令：CALA扩展指令：TRET8位指令操作码（记作“IR15–IR8”）的特殊含义：①IR15–IR14用于区分指令组，0X表示A组，10表示B组，11表示C、D组；②IR11用于区分C、D组，IR11=0为C组，IR11=1为D组；③IR13用于区分基本指令和扩展指令，基本指令为0，扩展指令为1。④IR12用于简化控制器实现，暂定为0。⑤IR10–IR8用于区分同一指令组的不同指令。TEC-XP+的基本指令已全部实现，扩展指令只完成了指令格式和执行流程的设计，控制信号的逻辑尚未实现，可由用户扩展实现。2、TEC-XP+计算机的指令执行流程TEC-2000计算机指令的执行流程由节拍发生器（即时序产生器）控制，节拍（即机器周期或CPU周期）用T4T3T2T1T0来编码，其中，在组合逻辑控制器中T4恒为0（T4=0）。下图为TEC-2000的指令执行流程图，方框表示1个节拍（即机器周期），左上角为节拍的编码（用T3T2T1T0表示）。23、TEC-XP+计算机组合逻辑控制器的主要控制信号TEC-2000计算机组合逻辑控制器涉及到大量的控制信号，此处仅对输出的控制信号进行简要介绍。1）运算器控制信号与运算器有关的控制信号有I8～I0、A3～A0、B3～B0、SCI、SSH1～SSH0、SST2～SST0，这些信号的含义在脱机运算器实验中已作了介绍。2）存储器、I/O端口读写控制信号与存储器、I/O端口读写有关的控制信号/MIO、REQ、/WE，这3个控制信号通过译码后产生6个控制信号。/MIOREQ/WE译码信号功能说明000/MWR主存写信号，低电平有效001/MRD主存读信号，低电平有效010/WRI/O写信号，低电平有效011/RDI/O读信号，低电平有效00X/MEMREQ主存读写请求，低电平有效01XI/OREQI/O读写请求，低电平有效1XX-无读写操作3）总线操作、中断控制信号与总线操作、中断有关的控制信号有DC13～DC10、DC23～DC20。DC12～DC10通过3-8译码器74LS138产生8个控制信号。DC13在组合逻辑控制器中未使用。DC12～DC10译码信号功能说明000/SWTOIB开关量SW到内部数据总线001/RTOIBALU输出到内部数据总线010/ETOIB16位机扩展符号到内部数据总线011/FTOIB状态寄存器到内部数据总线PC←0，关中断PC←AR，PC←PC+1IR←读内存寄存器间的数据传送或运算读写内存或I/O端口读、写内存传地址：AR←地址中断请求扫描RESET100000000010001101000110A组0101读内存，AR←地址传地址：AR←地址01110110读内存传地址：AR←地址01000110传地址：AR←地址0111读、写内存0101B组C组D组3100/STOIB8位机扩展符号到内部数据总线101/INTVH中断向量高8位到内部数据总线110/INTVL中断向量低8位到内部数据总线111-无操作DC22～DC20通过3-8译码器74LS138产生8个控制信号。DC23直接送到中断逻辑，DC23=1表示下一拍操作为取指令，否则DC23=0。DC22～DC20译码信号功能说明000-无操作001/GIR指令寄存器接收010/GARL地址寄存器低8位接收011/GARH地址寄存器高8位接收100/INTR恢复中断优先级101/INTN新中断优先级110/EI开中断，置中断允许位INTE=1111/DI关中断，置中断允许位INTE=0三、实验内容和步骤在单步方式下观察TEC-2000计算机典型的基本指令执行的节拍流程以及控制信号。1、基本指令的执行节拍流程将TEC-XP+教学机运行控制开关置为111100（单步、手动置指令、组合逻辑、联机），然后按RESET键，通过16位数据开关SWH、SWL置入指令操作码，在单步方式下，通过指示灯观察每组典型基本指令的节拍流程。A组指令：ADDR0，R1⑴置SW=0000000000000001⑵按RESET键，节拍指示灯T4～T0显示01000；（本拍在复位后才会出现）⑶按START键，节拍指示灯T4～T0显示00000；（本拍在手动情况下无意义）⑷按START键，节拍指示灯T4～T0显示00010；（执行IR←指令编码）⑸按START键，节拍指示灯T4～T0显示00011；（执行本指令）B组指令：PUSHR0⑴置SW=1000010000000000⑵按RESET键，节拍指示灯T4～T0显示01000；（本拍在复位后才会出现）⑶按START键，节拍指示灯T4～T0显示00000；（本拍在手动情况下无意义）⑷按START键，节拍指示灯T4～T0显示00010；（执行IR←指令编码）⑸按START键，节拍指示灯T4～T0显示00110；（执行本指令的第一步）⑹按START键，节拍指示灯T4～T0显示00100；（执行本指令的第二步）D组指令：CALAaddr（调用地址为addr的子程序,CALA指令比较特殊）⑴置SW=1100111000000000⑵按RESET键，节拍指示灯T4～T0显示01000；（本拍在复位后才会出现）⑶按START键，节拍指示灯T4～T0显示00000；（本拍在手动情况下无意义）⑷按START键，节拍指示灯T4～T0显示00010；（执行IR←指令编码）⑸按START键，节拍指示灯T4～T0显示00110；（执行本指令的第一步）⑹按START键，节拍指示灯T4～T0显示00100；（执行本指令的第二步）⑺按START键，节拍指示灯T4～T0显示00111；（执行本指令的第三步）4⑻按START键，节拍指示灯T4～T0显示00101；（执行本指令的第四步）2、基本指令执行过程的控制信号将TEC-2000教学机运行控制开关置为11101（单步、手动置指令、组合逻辑、16位、联机），然后按RESET键，通过16位数据开关SWH、SWL置入指令操作码，在单步方式下，通过指示灯观察典型基本指令的控制信号。1）A组指令：ADDR0，R1置开关SW=0000000000000001（ADD指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010011100000100000000110000010010000002）A组指令：SHRR2置开关SW=0000101100100000（SHR的指令编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010011100000000100001010000111010000003）B组指令：PUSHR3置开关SW=1000011000000011（PUSH指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC21000100010101010100011001001000000111000010001010101010001000001100000001100100010000000000000010000000000000010110100000000000000010001110000100110100010000000000000010001000000010004）B组指令：JMPAaddr置开关SW=1000000000000000（JMPA指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC210001000101010101000110010010000001110000100010101010100010000011000000011500100010000000000000010000000000000010110100010101011000100000110000000110100001000001010000110001110000000005）D组指令：CALAaddr置开关SW=1100111000000000（CALA指令的编码），先按RESET键，进入节拍01000，以后每按一次START键将进入下一个节拍，观察每一个节拍的控制信号，并填入下表。节拍/MIOREQ/WEABSCiSSHI8-I6I5-I3I2-I0SSTDC1DC2100010001010101010001100100100000011100001000101010101000100000110000000110010001000000000000001000000000000001011010001010101100010000011000000011010000100000000000000000111000000000011110000000100000011001011000000011010100001010101000010000010000001000四、实验要求1、实验前请认真做好预习。2、实验后写出实验报告，在实验报告中作出5条典型指令详细的流程图，并写出实验的心得体会。