计算机组成原理中断实验报告。

北 京 建 筑 大 学

2015/2016 学年 第 二 学 期

课 程 设 计

课程名称 计算机组成原理综合实验 设计题目 微程序控制器设计与实现

系 别 电信学院计算机系 班 级 计141 学生姓名 艾尼瓦尔·阿布力米提 学 号 201406030128

完成日期 二〇一六年七月八日星期五

成 绩

指导教师

（签名）

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计算机组成综合实验任务书

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实验目的

1．融合贯通计算机组成原理课程，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系（寄存器堆、运算器、存储器、控制台、微程序控制器）。 2．理解并掌握微程序控制器的设计方法和实现原理，具备初步的独立设计能力；3．掌握较复杂微程序控制器的设计、调试等基本技能；提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力。

实验电路

1. 微指令格式与微程序控制器电路

2.微程序控制器组成

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仍然使用前面的CPU组成与机器指令执行实验的电路图，但本次实验加入中断系统。这是一个简单的中断系统模型，只支持单级中断、单个中断请求，有中断屏蔽功能，旨在说明最基本的原理。

中断屏蔽控制逻辑分别集成在2片GAL22V10（TIMER1 和TIMER2）中。其ABEL语言表达式如下：

INTR1 := INTR;

INTR1.CLK = CLK1;

IE := CLR & INTS # CLR & IE & !INTC; IE.CLK= MF;

INTQ = IE & INTR1;

其中，CLK1是TIMER1产生的时钟信号,它主要是作为W1—W4的时钟脉冲，这里作为INTR1的时钟信号，INTE的时钟信号是晶振产生的MF。INTS微指令位是INTS机器指令执行过程中从控制存储器读出的，INTC微指令位是INTC机器指令执行过程中从控制存储器读出的。INTE是中断允许标志，控制台有一个指示灯IE显示其状态，它为1时，允许中断，为0 时，禁止中断。当INTS = 1时，在下一个MF的上升沿IE变1，当INTC = 1时，在下一个MF的上升沿IE变0。CLR信号实际是控制台产生的复位信号CLR#。当CLR = 0时，在下一个CLK1的上升沿IE变0。当 CLR=1 且INTS = 0 且 INTC = 0时，IE保持不变。

INTR是外部中断源，接控制台按钮INTR。按一次INTR按钮，产生一个中断请求正脉冲INTR。INTR1是INTR经时钟CLK1同步后产生的，目的是保持INTR1与实验台的时序信号同步。INTR脉冲信号的上升沿代表有外部中断请求到达中断控制器。INTQ是中断屏蔽控制逻辑传递给CPU的中断信号，接到微程序控制器上。当收到INTR脉冲信号时，若中断允许位INTE＝０，则中断被屏蔽，INTQ仍然为０；若INTE ＝１，则INTQ ＝１。

为保存中断的断点地址，以便中断返回，设置了一个中断地址寄存器IAR。第二节图4中的IAR（U19）就是这个中断地址寄存器，它是一片74HC374，有LDIAR和IAR_BUS#两个信号输入端，均连接至微程序控制器。LDIAR信号的上升沿到达时，来自程序计数器PC的地址会置入IAR中。IAR_BUS#为０时，保存在IAR中的断点地址会输出到数据总线DBUS上。由于本实验系统只有一个断点寄存器而无堆栈，因此仅支持一级中断而不支持多级中断。 中断向量即中断服务程序的入口地址，在本实验仪中由８位数码开关SW7—SW0提供。

3.中断的检测、执行和返回过程

微程序控制器每执行一条机器指令之后，执行下一条机器指令之前，先转到微地址0F处（见图12微程序流程图），在条件位P1=1时判断是否有中断请求INTQ。如果没有INTQ，则继续正常的机器指令执行。若检测到中断请求INTQ，首先发出关中断信号INTC、保存断点信号LDIAR，并且发出停机信号TJ，等待手动设置中断向量。设置好SW7—SW0后，按QD按钮启动，机器将中断向量读入程序计数器PC中，从而转到中断服务子程序去执行。 执行一条机器指令IRET，从中断服务子程序返回时，发出IAR_BUS#信号，从中断地址寄存器IAR向数据总线DBUS输出断点地址，再从DBUS依次写入到R4、PC中，恢复执行被中断的程序。

发生中断时，关中断由硬件负责，而中断现场(寄存器堆中的寄存器，进位标志C)的保

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存和恢复由中断服务程序来处理。

实验任务

（1）了解中断系统中每个信号的意义和变化条件，并将下面的主程序和中断服务程序手工汇编成十六进制机器代码，此项任务应在预习时完成。 主程序：

中断服务程序：

（2）参考CPU组成与机器指令执行实验，再加上中断系统，完成本次实验的线路连接。接通电源之前应仔细检查接线，确认无误。

（3）将上述任务（1）的程序代码存入内存中，并根据需要设置通用寄存器组和内存相关单元的数据。其中，寄存器R1的值应置为21H，以便程序循环执行。

（4）从地址20H执行程序，在程序运行中，按一次控制台的INTR。进入中断后，用单拍（DP）方式执行，直到返回主程序为止。列表记录中断系统中有关信号的变化情况，特别要纪录好断点地址和R0的值。

（5）重复执行（4）两次。（一共执行3次）

（6）将RAM中20H单元的内容由指令INTS改为INTC，重作（4），记录发生的现象。

六、实验步骤和实验结果

1、实验程序

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2、接线

微程序控制器与数据通路之间的线可以通过选择开关直接选择。将开关设置为“微程序”。只需连接数据通路部分的线。 a、数据通路的LDIR接CER、LDPC接LDR4、LDDR1接LDDR2、M1接M2、LDAR1接LDAR2。 b、指令寄存器IR的输出IR0接双端口寄存器堆的RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接RS0，IR3接RS1。

C、单脉冲DMC 接 中断INTR

选择开关拔至“微程序”

3、存程序机器代码，设置通用寄存器R1、R2及内存相关单元的数据。

（1）、设置寄存器R1、R2的值

根据要求，设置R1 = 21H，R2的值由实验者自定，假定为10H。 1）、令DP = 0，DB = 0，DZ =0，使实验系统处于连续运行状态。令SWB = 1，SWA = 1，

使实验系统处于寄存器加载工作方式KLD。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 1） 、在SW7—SW0上设置一个存储器地址，该存储器地址供设置通用寄存器使用。该存

储器地址最好是不常用的一个地址，以免设置通用寄存器操作破坏重要的存储器单元的内容。例如可将该地址设置为0FFH。按一次QD按钮，将0FFH写入AR1和AR2。 2） 在SW7—SW0上设置01H，作为通用寄存器R1的寄存器号。按一次QD按钮，将01H

写入IR。

3） 在SW7—SW0设置21H，按一次QD按钮，将21H写入IR指定的R1寄存器。

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4） 在SW7—SW0上设置02H，作为通用寄存器R2的寄存器号。按一次QD按钮，将02H

写入IR。

5） 在SW7—SW0设置10H，作为R2的值。按一次QD按钮，将10H写入IR指定的R2寄存

器。

6） 设置R1、R2结束，按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。 （2）、存程序机器代码。

本操作中，我们在10H单元存入01H（也可以是其他值），从20地址开始存10个机器代码：0B0H，58H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，84H。从0A0H存入2个机器代码:30H,0A0H。 1）令DP = 0，DB = 0，DZ =0，使实验系统处于连续运行状态。令SWB = 1，SWA = 0，使实验系统处于写双端口存储器工作方式KWRD。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 2）置SW7—SW0为10H，按QD按钮，将10H写入AR1。

3）置SW7—SW0 为01H，按QD按钮，将01H写入存储器10H单元。 写主程序

1）按CLR#按钮，使实验系统恢复初始状态。

2）置SW7—SW0为20H，按QD按钮，将20H写入AR1。

3）置SW7—SW0 为0B0H，按QD按钮，将0B0H写入存储器20H单元。AR1自动加1,变为21H。 4）置SW7—SW0为58H，按QD按钮，将58H写入存储器21H单元。AR1自动加1,变为22H。 5）重复进行下去，一直到将84H写入存储器29H单元。按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。 写中断程序

1）置SW7—SW0为0A0H，按QD按钮，将0A0H写入AR1。

2）置SW7—SW0 为30H，按QD按钮，将30H写入存储器0A0H单元。 3）置SW7—SW0 0A0H，按QD按钮，将0A0H写入存储器0A1H单元。 4）按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。

或用实验台监控系统或系统上端软件直接写入内容

（3）从地址20H连续执行程序

从地址20H连续执行程序，在程序运行中，按一次控制台的INTR。进入中断后，用单拍（DP）方式执行，直到返回主程序为止。列表记录中断系统中有关信号的变化情况，特别要纪录好断点地址和R0的值。

1）令DP = 0，DZ = 0，DB = 0，使实验系统处于连续运行状态。

2）置SW7—SW0为20H，作为程序的起始地址。按QD按钮，启动程序从20H地址运行。中断允许指示灯亮。

3）按INTR按钮，发出一个INTR中断脉冲，请求中断。中断后硬件自动将中断地址存入中断地址寄存器IAR。微程序地址应为25H。

4）置SW7—SW0为0A0H，这是中断程序的入口地址。将DP由置0改为置1。按一次QD按钮，将0A0H送入程序计数器PC。微程序地址应为26H。

5）按一次QD按钮，进行取指微操作。微程序地址应为05H。 6）按一次QD按钮，进行置数微操作。微程序地址应为13H。 7）按一次QD按钮，进行R0 & R0 操作,这时微程序地址应为38H。观察DBUS总线的值，即为R0的值。

8）按一次QD按钮，进行写回微操作。微程序地址应为34H。

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9）按一次QD按钮，进行判定有无中断请求INTQ微操作。微程序地址应为0FH。 10）按一次QD按钮，进行取指微操作。微程序地址应为05H。

11）按一次QD按钮，进行从中断程序返回主程序微操作。微程序地址应为1AH。这时观

察PC地址,即中断地址。

12）按一次QD按钮，进行判有无新的中断操作。微程序地址为0FH。

13）按一次QD按钮，进行取指微操作。微程序地址为05H。此刻，程序已返回主程序。 由于按下INTR按钮的时间对主程序而言，是随机的，具有不确定性，因此各次中断地址、R0会具有不同的值。

将RAM中20H单元的内容由指令INTS改为INTC，重作（4），记录发生的现象。 由于INTC是关中断指令，因此将不会发生中断。 （4）控制存储器代码表

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2.

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1.

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2.拓展程序流程图

10H

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实验结果

1、单拍执行程序（SWC=0,SWB=0,SWA==0;DP=1,DZ=0,DB=0）初值：R1=11H，R2=22H a、XOR R1,R2 执行结果R1 = 33H、R2=02H b、INC R1,R2 执行结果R1 = 34H、R2=02H c、DEC R1,R2 执行结果R1 = 33H、R2=02H d、F=A+B R1,R2 执行结果R1 = FFH、R2=02H

七、实验分析与总结

通过这次实验，首先我懂得了什么叫中断，同时学会了中断的调用。通过亲自动手，能更好的理解本次实验的原理。

在做实验的过程中遇到了各种问题，在此过程中，我通过请教老师，还有班里的同学（特别感谢拍子古，周瑞奇，喀斯等同学）最终成功的的做出来了。这次实验提高了我的动手操作的能力。

通过这几天的课程设计，使我对计算机组成原理知识有了更加深刻的认识和理解，对计算机的工作流程有了更具体的了解和认识。非常感谢这次的课程设计给我带来的知识和学习经验，我真正意识到了实践是理论所不能及的。 在今后我一定会更加努力学习专业知识和技术。