重置控存代碼在計算機硬件實驗箱維護中的應用

胡珊

（福建師范大學計算機與網絡空間安全學院 福建省福州市 350108）

1 硬件實驗箱維護現狀

《計算機組成原理》是高校計算機相關專業（包括計算機科學與技術、電子信息科學與技術、軟件工程、網絡工程與管理及新興的物聯網等專業）的硬件基礎課程，在計算機硬件課程體系中處于核心環節[1-2]，同時也是計算機類碩士入學考試的必考專業課之一，其實驗教學作為該課程理論教學的重要環節，有著重要作用。該課程實驗的載體——計算機硬件實驗箱（清華大學科教儀器廠生產），使用人員復雜多變，實驗過程中使用人員帶電拔插連接導線和元器件，焊點氧化，靜電影響等等，致使硬件實驗箱的故障與維護相當繁雜[3-4]，維護工作量大。而目前開發的部分虛擬實驗環境并不能完全取代真正的硬件實驗環境。由于硬件實驗箱不像實驗機房主機有開機還原或定期還原系統，也沒有開機檢測功能，維護時實驗管理人員只能每臺開箱通電測試，做計算機組成實驗各個項目，然后憑經驗來判斷，碰上芯座等損壞就得寄廠維修。不僅耗費時間，而且還嚴重影響設備完好率，不利于實驗教學的正常開展，因此，鮮少有人愿意主動承擔計算機硬件實驗室的管理與維護。

2 硬件實驗箱維護與故障診斷

硬件實驗箱的維護如同微型計算機一樣有硬件與軟件的維護。遵循從簡單的事情入手，先外后內，抓主要問題。即先檢查實驗箱的各種控制開關是否處于正確的位置，不同的位置，功能不同。比如右上角控制轉換開關是“獨立”還是“微程序”，若在微程序位置，則電平控制信號開關的高、低電平送不進寄存器控制端（如RD0、RD1、RS0、RS1等），被鉗制住了，開關數據也送不進數據線上（D0到D7亮、滅不正確）；其次，用邏輯筆等工具檢查外部連線、開關等是否正常，以保證各控制端控制電平有效；若以上兩項正常，則根據故障現象、實驗電路圖及實驗接線表綜合判斷故障所在的大致位置，然后檢查問題區域的芯片是否有問題或其底座是否有問題。這屬于硬件的檢查及維護，這里不再贅述。本文主要從軟件維護的層面（即重置控存代碼）來闡述計算機硬件實驗箱的診斷與維護。

2.1 何種狀態重置控存代碼

（1）學生實驗過程中反映E2PROM代碼有問題。是否真有問題，那就選取一種操作模式（比如令SWCSWBSWA=101運算器組成），結合該硬件實驗箱采用的控存代碼表（見表1）和微指令格式[5]（圖1）。微指令長40位，順序字段11 位（判別字段P4～P0，后繼微地址NμA5～NμA0），控制字段29 位，0～7位對應CM0，8～15位對應CM1，16～23位對應CM2，24～31位對應CM3，32～39位對應CM4。控存代碼表以16進制顯示，若要對應指示燈，則需轉換成二進制，1（高電平）對應的燈亮，0（低電平）對應的燈滅。

表1：部分控存代碼表

圖1：微指令格式

按CLR系統復位，當前微地址uA5～uA0為00H，此時CM4和CM0對應0CH和41H，其余為00H（參見控存代碼表第二行），轉換成二進制則為00001100B和01000001B，對照微指令格式，燈SEL1、SEL0、P0、NuA0亮；按QD第一次，由于該硬件試驗系統運算器組成試驗微程序下入口地址為0BH ，即uA5～uA0為0BH（對應二進制為00001011），處于計算機硬件實驗箱面板上微程序控制器區域下端的燈uA3、uA1、uA0亮，對照控存代碼表，CM4為44H（01000100B），燈SELCTL、SEL0亮，CM3為10H（00010000B），燈SBUS亮，CM2為02H（00000010B），燈STOP亮，CM1為08H（00001000B），燈DRW亮，CM1為15H（00010101B），燈NuA4、NuA2、NuA0亮，NμA5～NμA0代表下一微地址，此時為15H（見CM0的后六位）；按QD第二次，當前微地址uA5～uA0為15H（00010101B，由上一次按下QD后顯示的后繼微地址NμA5～NμA0決定），燈uA4、uA2、uA0亮，此時CM4為50H（01010000B），燈SELCTL、SEL2亮，CM3為10H（00010000B），燈SBUS亮，CM2為02H（00000010B），燈STOP亮，CM1為08H（00001000B），燈DRW亮，CM1為16H（00010110B），燈NuA4、NuA2、NuA1亮；類似操作，到第七次按QD，恢復到按CLR時狀態。在這一循環過程中（見表1，微地址按00、0B、15、16、17、18、19、00循環），若有指示燈的亮、滅狀態與代碼表不符，則控存代碼確有問題，需重置控存代碼。事實上，一般在按復位鍵及兩次QD后，就能看出控存代碼是否出了問題。

（2）一般維護實驗箱時首先檢查的就是在微程序狀態下，按CRL及QD，控制轉換框內及微程序控制器框內的指示燈有亮有滅，若不按正常的規律亮滅，那就需要重置CM4～CM0的控存代碼；有時復位正常，但按QD亂碼；有時按復位及QD，指示燈亮滅均不正常等，這些狀況都是先進行硬件試驗箱的軟件維護，即重置控存代碼，給試驗箱來個軟件復位。

總之，在進行硬件實驗箱維護時，微程序狀態下選定某種操作模式，按控存代碼表（或微程序流程圖）走一遍，根據實驗箱指示燈亮滅狀態即可判斷實驗箱是否正常，是軟件故障還是硬件故障，軟件故障的話重置控存代碼即可，類似于微型計算機的軟件還原；是硬件故障的話，也可判斷在哪個區域或最可能的故障芯片。以上的故障有可能一種，也有可能多種故障并存，需要管理人員多方分析，逐個排查。

2.2 如何重置控存代碼

斷開硬件實驗箱電源，串口編程電纜將實驗箱與微型計算機的串口連接好，硬件實驗箱的編程開關上撥到“編程位”，取下DZ1短路片（注意這里不要按實驗箱面板標注的中、右短路）；電腦主機開機，點開對應的控存代碼寫入軟件（這里是TEC-8COMDOWN），波特率改為2400，勾選文件CM0……CM4，點“打開”按鈕，選擇電腦主機中控存代碼下的常規微程序控制器CM0-4 (EEPROM)，文件類型選擇所有文件，雙擊CM0，則打開了CM0，依次類似可以打開CM1、CM2、CM3、CM4。開啟實驗箱電源，重置前先按下實驗箱面板編程開關右側的復位鍵（否則下載不成功，一直顯示寫入超時），再點計算機寫入軟件的“編程”按鈕，進行控存代碼重置。重置過程中，觀測實驗箱微指令燈是否閃爍，若軟件顯示成功，并伴隨硬件實驗箱微指令燈閃爍，則實驗箱軟件基本恢復正常。

2.3 重置控存代碼是否成功

關閉實驗箱電源，取下編程電纜，編程開關“正?！?，控制轉換“微程序”，DZ1端子左、中兩腳短接，單拍上撥為1，實驗箱接通電源，按復位按鈕CLR，即表示置當前微地址uA5～uA0為00H，后繼微地址NuA5～NuA0為01H，參見該實驗箱對應的控存代碼表，此時SEL1、SEL0、P0、NuA0燈亮，其余燈滅，表示實驗箱基本正常。

更深入的測試則可以結合學生反映的具體問題來選擇某種操作模式。比如學生反映寄存器讀不出來或B7～B0顯示出問題，那可以先寫寄存器（微程序下令SWCSWBSWA=100，微程序入口地址為09H），分別將1、2、3、4寫入寄存器R0～R3。寫入的過程中如下：將SD7到SD0撥成00000001，燈D7～D0即刻對應顯示即將寫入的數據1，第一次按QD，當前微地址09H（uA3和uA0亮），各指示燈的亮滅狀態應該符合控存代碼表（SELCTL、SEL0、SBUS、STOP、DRW、NuA3亮），同時微程序給控制寄存器數據寫入的控制端發送控制信號RD1RD0（00，由SEL3、SEL2決定）；第二次按QD時，1寫入寄存器R0，此時B0亮，當前微地址08H由上次操作后給出的后繼微地址決定，uA3亮，SELCTL、SEL2、SBUS、STOP、DRW、NuA3、NuA1亮，將SD7到SD0撥成00000010，指示燈D7到D0顯示數據2準備好，因SEL3SEL2為01，故寄存器控制端RD1RD0為01；第三次按QD，數據2寫入寄存器R1，B1燈亮，當前微地址跳轉成0AH，uA3、uA1亮，SELCTL、SEL3、SEL0、SBUS、STOP、DRW、NuA3、NuA2亮，寄存器控制端RD1RD0為10（寄存器R2準備接受數據寫入），SD7到SD0撥成00000011，數據指示燈D1、D0亮（顯示3）；第四次按下QD，3寫入R2，B1、B0亮，微地址轉變成0CH，uA3、uA2亮，SELCTL、SEL3、SEL2、SEL1、SBUS、STOP、DRW亮，后繼微地址NuA5～NuA0=00，因SEL3SEL2=11，此時選擇的寫入寄存器為R3，SD7到SD0撥成00000100，數據燈D2亮，表示數據4準備好；第五次按下QD，數據4寫入R3。寫寄存器時微地址按00、09、08、0A、0C、00循環；然后再讀寄存器（令SWCSWBSWA=100，微程序入口地址為07H），讀寄存器過程如下：微程序狀態，第一次按QD，當前微地址07H，即uA2、uA1、uA0亮，SELCTL、SEL0、STOP、NuA2、NuA1亮，SEL3SEL2=00和SEL1SEL0=01分別連接寄存器控制端RD1RD0、RS1RS0，所以A7～A0顯示寄存器R0的內容1（A0亮），B7～B0顯示R1的內容2（B1亮）；第二次按QD，當前微地址06H，uA2、uA1亮，SELCTL、SEL3、SEL1、SEL0、STOP亮，SEL3SEL2等 于10，SEL1SEL0等于11，故A7～A0顯示寄存器R2的內容3（A1A0亮），B7～B0顯示R3的內容4（B2亮），此時微地址按00、07、06、00循環。

3 結束語

計算機組成硬件實驗箱是高校計算機相關專業實踐教學的必備設備，能鍛煉學生的實踐能力，培養學生學習興趣，激發創新精神，不過卻一直沒有一套標準的維護方案。本文結合硬件實驗箱采用的控存代碼和微指令格式，在微程序狀態下單拍跟蹤每條微指令的執行情況，各指示燈的亮滅狀態，從而快速確認實驗箱是軟件損壞還是硬件損壞，軟件方面就先在編程狀態下重置控存代碼，然后，實驗箱再在正常的微程序下按流程走一遍，這里所選的流程可以結合學生反映的問題來選擇，一方面能判斷重置代碼是否成功，另也可以輔助判斷硬件故障的大致區域?？傊煜た卮娲a的重置和應用，極大提高了維護人員的工作效率和設備完好率，保障實驗教學正常進行。