中山大学计算机组成原理实验报告.doc

计算机组成原理与接口技术实验实 验 报 告实 验 人：郑熙霖 学 号：09388334 日 期：2011-04-10 院（系）：软件学院 专业（班级）：09软件工程（数字媒体技术） 实验题目：tec-2实验计算机运算器实验 一. 实验目的1 了解和掌握am2901运算器的组成结构和工作原理2 认识和掌握tec-2机运算器的组成和工作原理3 了解和掌握tec-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法4 了解和掌握运算器的进位时间的测试方法，及进一步掌握双踪示波器的使用方法。二. 实验原理（一）概述运算器部件是计算器五大功能部件中的数据加工部件。运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由算术逻辑运算部件（alu）实现，它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出否、进位否、结果为零否和符号正负等，这些标志都保存在一个状态寄存器中。运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器来承担。因为这些寄存器可以被汇编程序直接访问与使用，因此将他们称为通用寄存器，以区别于那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。为了用硬件线路完成乘除指令运算，运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器，称为乘商寄存器。tec-2试验机的运算核心组成部分是am2901。am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。（二）am2901运算器1 am2901芯片内部组成结构图i am2901内部结构图 4 位的alu，实现实种运算功能，其每一位上的2个输入端数据分别用r和s表示，则这8种功能是r+s，s-r，r-s 3种算术运算和r s， r s， /r s， r s，/（r s）5咱逻辑运算，这8种功能的选择控制，是用外部送入的3位编码值i5i3实现的。alu还能给出cn+4，f，ovr和f = 0000 4位状态信息，并能接收最低位的一个进位输入信号cn。alu还给出了超前进位信号/g和/p。 16个4位的通用寄存器组，用r0-r15表示，和1个4位的q寄存器。通用寄存器组为双端口读出（用a地址与b地址选取择每个寄存器）和单端口（用b地址选取择）控制写入的运行方式，而且运算后的结果经一个移位器实现写入（左移，不移，右移）。q寄存器本身具有左移，右移功能且能接收alu的运算结果，左右移位时，就有移出，移入信号ram3，ram0，q3，q0， 4个入号，它们都通过具有双向传送功能的三态门实现的。 该芯片能接收外部送入的4位数据d3-d0，并输出奇制胜们的数据y3-y0。y3-y0可以是通用寄存器a端口上的输出或alu的运算结果f，并还受输出允许控制信号/oe的控制，仅在/oe为低时，y3-y0才有输出，否则处于高阻态。 从图上可以看到，alu的两个输入端r和s分别可以接收d输入，a端口或逻辑0数据，和a端口，b端口，q寄存器或逻辑0数据，am2901器件只选取用了它们可能的全部12种组合中的8种，即a-q，a-b，0-q，0-b，0-a，d-a，d-q，和d-0这8种，并用外部送来的3位控制码i2-i0来选择这是种组合。 am2901还采用另外来货位外部送来的控制信号i8-i6，一是选择向外部送出的数据的来源（a口数据还是alu运算结果），二是选择其内部的通用寄存器组和q寄存器接收不接收和如何接收数据库写入（左移，右移，直送）。 通用寄存器组通过a端口，b端口读出内容的输出处均有锁存器线路支持，以保证在执行诸如a+b结果送b运算时操作的正确性。2 am2901的操作时序am2901芯片要用一个clk（cp）时钟信号作为芯片内通用寄存器、锁存器和q寄存器的打入信号。其有关规定如图ii所示。图ii am2901的时钟信号的作用3 am2901芯片的控制信号及其控制码与操作am2901芯片的控制信号有9个，即i8-i0，这回个控制信号分成三组，它们是：i8、i7、i6（b30-28）：选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处；i5、i4、i3（b26-24）：选择alu的运算功能，共8种；i2、i1、i0（b22-20）：选择送入alu进行运算的两个操作数据r和s来源，共有8种组合。这三组控制信号与相应控制码的关系如下表：表iii am2901 9个控制信号i8i0控制码i8、i7、i6i5、i4、i3i2、i1、i00 0 0fqfr + saq0 0 1无fs rab0 1 0fbar s0q0 1 1fbfr s0b1 0 0f/2bq/2qfr s0a1 0 1f/2bf/r sda1 1 02fb2qqfr sdq1 1 12fbfr sd0寄存器结果选择y输出选择运算功能选择rs注：r、s中的“0”为逻辑0。4 tec-2机运算器（1） tec-2机运算器主体构造由4片am2901 芯片级联构成tec-2机的运算器，4片间的连接关系是：（1）16位的数据 输入由4片各自的d3-d0组成，其位序号人高位芯片向低位芯片顺序排成d15-d0（2）16位的数据 输出由4片各自的y3-y0组成，其位序号人高位芯片向低位芯片顺序排成y15-y0.（3）有高低位进位关系的3组信号，在高低位相邻芯片间连接关系是：高位芯片的ram0与低位芯片的ram3相连：高位芯片的q0与低位芯片的q3相连：在串行进位方式下，高位芯片的cn与低位芯片的cn+4相连；若选用am2902芯片（与74ls182芯片功能相同，两者可以互换使用）实现并行进位，则低位的3个芯片的并行进位信号/g和/p应送往am2902的相并没有管脚，并将各自对应的片间进位输出信号送入相邻高位芯片am2901的cn管脚。同时支持串，并行丙种方式，有利于教学实验中方便地观察与测量每种进位方式的进位延迟时间。此时，最低位芯片的ram0与q0是该16位的运算器的最低位的移入/出信号，最高位芯片的ram3与q3是运算器最高位的移入/出信号，均需有另外的逻辑电路与之连接，最低位的cn是整个运算器的最低位进位输入信号。最高位的cn+4是16位完整运算器的进位输出信号。同理，只有最高们芯片的f3和ovr有意义，低位的3个芯片的f3和ovr不被使用。4个芯片的f=0000管脚连接在一起，并经一个电阻接到+5v电源，已得到16位的alu的运算结果为“0”的标志位信号。（4）其它的几组输入信号，支4片am2901器件来说应有相同的值，包括/oe（控制选 通y的输出），a地址，b地址，i8-80（控制am2901的运算功能，数据来源，结果的处置）和工作脉冲cp,故应将4个芯片的这些的各对应管脚连接在一起。完整的16位运算器的组成框图如下：图 完整的16位运算器的组成框图（2） 通用寄存器16个16位通用寄存器r0r15，其中r4(sp)堆栈指针、r5(pc)程序计数器、r6(ip)指令地址寄存器（存放当前正在执行的指令地址）为系统所用。此外，还有一个q寄存器。（3） 移位器运算的结果经一个移位器实现写入操作（左移、不移、右移），q寄存器本身具有左、右移或不移功能且能接收alu（f）的运算结果。左、右移位时，对于通用寄存器来说，就有移出、移入信号ram15、ram0；对于q寄存器来说，有移出、移入信号q15、q0。移位否由i8i6控制信号决定。5 tec-2机运算器部件的辅助组成部分（1） 运算结果的标志位标志位的含义及取值：c：进/借位标志，有进/借位产生，则c=1，否则为c=0；z：运算结果标志，运算结果为0，则z=1，否则为z=0；v：溢出标志，有溢出，则v=1，否则v=0；s：符号标志，结果为负数，则s=1，否则s=0。（2） 微指令中三位微码（sst）与标志位的关系三位微码与这8种处理的对应关系，已用表格形式给出。表 三位微码与状态位的关系表sst编码状态位输入说 明b34 b33 b32czvs0 0 0czvs四个标志位的值保持不变0 0 1cyf=0ovf15接收alu的标志位输出值0 1 0ib7ib6ib5ib4恢复标志位现场值0 1 10zvs置c为0，另三个标志不变1 0 01zvs置c为1，另三个标志不变1 0 1ram0zvs右移操作，另三个标志不变1 1 0ram15zvs左移操作，另三个标志不变1 1 1q0zvs联合右移，另三个标志不变（3） 运算器最低位进位信号的给出与控制（sci）运算器最低位的进位信号cin，可能为0、1、c标志的值，为了调试与实验的方便，有时可送入一个连续的方波信号，当运算器执行16位全1与这个最低位的进位方波信号相加时，则加法器每一位的输出结果均为方波，有利于观察与调试。表sci编码（b11、b10）00011011cin取值01ctclk方波（4） 运算器最高位、最低位的输入信号（ssh）移入通用寄存器中的移入信号ram15和ram0，以及乘商寄存器中的移入信号q15和q0。左移时，向ram0，或者ram0与q0移入数据；右移时，向ram15，或ram15与q15移入数据。我们把5条移位指令和剩除法计算中的联合移位都考虑进去，可以归纳出如下4种结果，并用两位微码ssh区分它们。移位控制码ssh如下表所示：表控制码ssh左 移右 移说 明b9 b8ram0 q0ram15 q150 00 x0 x通用寄存器逻辑位移0 1c xc x通用寄存器与c循环移位1 0q15 /f15cy ram0原码除（左移）乘（右移）1 1x xf15ovr ram0右移用于补码乘法说明： 表中“x”为任意值，表示取任意值都不受影响 当通用寄存器本身移位时，q寄存器不受影响 乘除法运算要求通用寄存器与q寄存器联合移位，没有q寄存器单独移位功能 左右移是由指令功能确定的 ssh为0，用于逻辑移位指令为1，用于循环移位指令为2，用于乘除法运算的联合移位及上商为3，用于算术右移指令，或补码乘法计算三. 实验内容1 脱机实验实验中所述将开关置为“1”，即表示将开关向上拨；将某开关置为“0”，即表示将开关向下拨。（1）将tec-2机功能开关fs4置为“1”。（2）主脉冲置为单步方式，step/cont开关拨向step一边，step为单脉冲方式，cont为连续脉冲方式；（3）用d0+0r0将立即数d0（从数据开关输入:a000h）置入寄存器r0。（4）用d1+0r1将立即数d1（从数据开关输入;4000h）置入寄存器r1。（5）对r0和r1进行各种算术、逻辑运算。将开关s2 s1 s0置于“110”时，指示灯将显示alu的运算结果；将开关s2 s1 s0置于“000”时，指示灯将显示svzc的状态，（h25=s,h26=v,h27=z,h28=c）。2 联机实验（1）将fs1fs4置成1010.，step/cont置成cont，启动tec-2机，进入监控程序。（2）在联机状态下，在命令行状态用“a”命令输入程序。（3）用“g”命令运行程序。（4）用“r”命令观察运行结果及状态。（5）用“t”或“p”命令单步执行。四. 实验器材tec-2机一台，电脑一台五. 实验分析与设计1.脱机实验根据am2901 9个控制信号i8i0与相应控制码的关系，设计实现各功能的指令微码脱机实验步骤：（1）将tec-2机功能开关fs4置为“1”。（2）主脉冲置为单步方式，step/cont开关拨向step一边，step为单脉冲方式，cont为连续脉冲方式；（3）用d0+0r0将立即数d0（从数据开关输入:a000h）置入寄存器r0。波特率开关数据开关sw2（共12位，最末三位未用）sw1（共12位）mi876mi543mi210未用a口b口（r0）scisshd15d0011000111000000000000000a000h 按上表设置各控制信号（mi8mi0）为垂直板元件v60 sw2，a口、b口、sci、ssh为垂直板元件v61 sw1。 按上表设置十六位数据开关（为“a000h”,即“1010 0000 0000 0000b”）。 按压一次step键后，立即数d0即置入寄存器r0中。（4）用d1+0r1将立即数d1（从数据开关输入;4000h）置入寄存器r1。波特率开关数据开关sw2（共12位，最末三位未用）sw1（共12位）mi876mi543mi210未用a口b口（r1）scisshd15d00110001110000000000100004000h 按上表设置各控制信号（mi8mi0）为垂直板元件v60 sw2，a口、b口、sci、ssh为垂直板元件v61 sw1。 按上表设置十六位数据开关（为“4000h”,即“0100 0000 0000 0000b”）。 按压一次step键后，立即数d0即置入寄存器r1中。（5）根据指令微码输入各控制信号，将开关s2 s1 s0置于“110”时，指示灯将显示alu的运算结果；将开关s2 s1 s0置于“000”时，指示灯将显示svzc的状态（h25=s,h26=v,h27=z,h28=c），按压step前，记录alu的输出、svzc状态；按压step，记录按压后alu的输出、svzc状态，然后输入下个微码。（6）按照设计的微码，逐个测试并记录。设计思路：(a) 根据表iii am2901 9个控制信号i8i0，明确i8i6用于选择运算结果或数据传送到什么寄存器中，i5i3用于选择alu的运算功能，i2i0用于选择送入alu的操作数据的来源。(b) 根据功能需要，例如r1+r0r0，将两个通用寄存器r1和r0的数值进行加法运算后，结果保存在寄存器r0中，那么，就可以让a口选择r1，b口选择r0，即a口设为0001，b口设为0000；由于传入alu的两个数值分别来源于a口和b口，所以i2i0选择001（即r为a，s为b）；i5i3明显应该选择加法000；运算结果保存到寄存器b，故i8i6选择011（fb）。这样就完成了一条微码的设计。(c) 按压step前纪录alu输出的值，还有svzc的值；在tec-2模拟机上，开关s2 s1 s0为110则查看alu输出（16个灯），为000则查看svzc的值（末尾4个灯）。(d) 按压step后纪录alu输出的值，还有svzc的值。(e) 其他各条微码按照(b)(d)的步骤设计并逐条测试。(f) 当有进位端参与计算时，如r1+r0+cr0和r0+1r0，根据表，此时需要把sci分别设置为10和01；10表示进位端参与计算；01表示直接在寄存器的值+1。(g) 当没有进位端参与计算时，其余情况均将sci设置为00。(h) 最终得到结果如下：表功 能mi86mi5mi20a口b口按压 step 前按压 step 后alu输出svzcalu输出svzcr1+r0r001100000100010000e000h00002000h10000+r0r001100001100000000e000h1000e000h1000r0-r1r001100100100010000a000h10006000h10000+r0r001100001100000000a000h1000a000h1000r1r0r001101100100010000e000h1000e000h10000+r0r001100001100000000e000h1000e000h1000r1r0r0011100001000100004000h10004000h00000+r0r0011000011000000004000h00004000h0000r1r0r0011110001000100000000h00004000h00100+r0r0011000011000000000000h00100000h0010r1+r0+cr0011000001000100004000h00108000h00000+r0r0011000011000000004000h00004000h0000r0*2r0 111000011000000004000h00008000h00000+r0r0011000011000000008000h00008000h1000r0+1r0011000011000000008001h10008002h10000+r0r0011000011000000008001h10008001h1000sci的设置：r0+r1+cr0，sci= 10 ；r0+1r0，sci= 01 其余sci= 00说明：表中alu输出用16进制数表示，而svzc用二进制数表示。2.联机实验（1）将fs1fs4置成1010.，step/cont置成cont，启动tec-2机，进入监控程序。（2）在联机状态下，在命令行状态用“a”命令输入程序。a8000800: mov r0，a000 mov r1, 40000804: add r0, r1 sub r0，r1 or r0，r1 and r0, r1 xor r0, r1 adc r0，r1 shl r0 inc r0 ret（3）用“g”命令运行程序。在命令行提示符状态下输入：g800执行上面输入的程序（4）用“r”命令观察运行结果及状态。在命令行提示符状态下输入：r观察运行结果及状态屏幕显示：r0=8001 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp=ffff pc=0800 ip=080c r7=0000 r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110800: 2c00 a000 mov r0, a000（5） 用“t”或“p”命令单步执行。在单步执行之前，先将寄存器r0、r1清空，输入命令：rr08000:-0rr14000:-0在命令行提示符状态下输入：t 或 p执行之后，观察运行结果及状态屏幕显示：tr0=a000 r1=0000 r2=0000 r3=0000 sp=ofd0 pc=0802 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110802: 2c10 4000 mov r1, 4000tr0=a000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp=ofd0 pc=0804 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110804: 0401 add r0, r1tr0=e000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp=ofd0 pc=0805 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110805: 0c01 sub r0, r1tr0=a000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=0806 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110806: 5801 or r0, r1tr0=e000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=0807 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000111110807: 5001 and r0, r1tr0=4000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=0808 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=000011110808: 5401 xor r0, r1tr0=0000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=0809 ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=010011110809: 0801 adc r0, r1tr0=4000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=080a ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=00001111080a: 6000 shl r0tr0=8000 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=080b ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=00001111080b: 7400 inc r0tr0=8001 r1=4000 r2=0000 r3=0000 sp= ofd0 pc=080c ip=00cd r7=016a r8=0000r9=0000 r10=0000 r11=0000 r12=0000 r13=0000 r14=0000 r15=0000 f=00011111080c: ac00 ret六. 思考题1. 在脱机方式下进行运算器实验室，在按step键之前和按step键之后，alu的输出结果及状态svzc有何不同，为什么？根据am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。从am2901运算器的组成结构可以看出，a口和b口的寄存器在将数据传入alu之前，会经过对应的a锁存器和b锁存器。而由图iiam2901时钟信号的作用图中可以看出，在一个时钟周期内，cp高电平时寄存器的内容通过两个锁存器传送到输入端r和s中，且通用寄存器不接收数据。由于alu是组合逻辑电路，不受时钟信号影响，因而alu输出的数据即为当前状态下的运算结果。在按下step前alu输出当前运算结果，svzc显示当前的状态结果；当按下step后，cp下降沿到来时，a、b锁存器锁存数据，通用寄存器开始接收新数据，此时在下降沿，alu将输出的结果存入通用寄存器中，alu则根据通用寄存器中新的数据再次进行运算，因而alu输出新的运算结果，而svzc状态寄存器则将上次的状态记录下来。2. 写出实现以下功能操作微码：（按下表形式书