计算机组成原理实验系列

计算机组成原理实验系列,一、总线与寄存器二、进位加法器三、比较器（仲裁器）四、计数器五、运算器六、存储器七、时序发生器八、微程序控制器九、硬布线控制器,（九）硬布线控制器实验,实验内容：分别设计单周期和多周期硬布线版本的CPU，并比较两者“状态机”的差异。两个版本的CPU在功能上完全兼容微程序版本CPU（数据通路相同，指令集相同），仅用硬布线逻辑取代微程序控制器，产生时序各阶段所需的微操作信号。,实验目的：掌握硬布线控制器的组成原理及设计方法。理解单周期和多周期硬布线控制器的“状态机”模型，了解两者间的差异。,单周期硬布线控制器版本的CPU,多周期硬布线控制器版本的CPU,CPU的指令格式,NOP,空指令：不执行任何操作,HLT,“断点”：硬件停机,JMP1,间接寻址：addr1=addr2，addr2PC,JMP2,直接寻址：addr1PC,二次间址：addr1=addr2,addr2=addr3,addr3PC,JMP3,单周期硬布线控制器状态机,多周期硬布线控制器状态机,Mealy状态机,单周期硬布线控制器状态机流程图,指令译码电路微操作信号硬布线逻辑,（单周期）时序发生器,多周期硬布线控制器状态机流程图,M1M时序：M=NOPM1+JMP1M2+JMP2M3+JMP3M4,LDIR=#LDPC=M1LDAR=PC_INC=1#OE=0,（多周期）时序发生器,指令译码电路M硬布线逻辑微操作信号硬布线逻辑,初始化过程：时钟CLK接在MANUAL_CLK端，令RESET=1，则#CLR=0，清零微地址寄存器MAx和指令寄存器IR。此时，#HLT=1，且74LS194状态S0,S1=1,1，工作模式是送数。手动按钮MANUAL_CLK一次，令CLK端上升沿跳变，节拍T1,T2,T3,T4=1,0,0,0。令RESET=0，74LS194恢复循环右移模式，进入第一条指令的取指周期节拍时序。,重启过程（跳出HLT“断点”）：时钟CLK接在MANUAL_CLK端，令RESET=1，则#CLR=0，清零微地址寄存器MA4MA0和指令寄存器IR。此时，#HLT=1，且74LS194状态S0,S1=1,1，工作模式是送数。令RESET=0，74LS194恢复循环右移模式，进入第一条指令的取指周期节拍时序。注：跳出“断点”后，CPU进入HLT指令的后续下一条指令的取指周期。,实验步骤：1）编译如下页所示的机器语言源程序，生成HEX文件分别烧写到单周期和多周期硬布线控制器版本的程序存储器PROGRAM中（编译和烧写asm文件的方法参见“2.6存储器实验：ROM批量导入数据”）2）分别在单周期硬布线控制器版本的CPU和多周期硬布线控制器版本的CPU中，手动单步执行或自动执行上述机器语言程序。观察每次单步执行或自动运行到“断点”处的寄存器AR、IR、PC及总线BUS上的数据，对比单周期和多周期硬布线控制器的程序运行效率差异。,JMP1_2_3,思考题：请问多周期硬布线控制器可否取消TCLOCK，简化为只有一级状态机MCLOCK？如果可以，硬布线控制器电路怎么修改？在本实验的CPU模型机上增加两个74LS173寄存器R1和R2，以及一个连接总线BUS的8位拨码开关，扩展CPU指令集，增加下述MOV/SET指令及相应的微指令：注：IMM是由拨码开关输入的8位立即数；RA和RB是在指令“功能”描述中的逻辑寄存器，可以对应R0或R1寄存器。,（九）硬布线控制器实验,思考题：在上述思考题的电路基础上，参考上述“2.5运算器实验”，再