实验六复杂模型机的设计与实现

1、实验五复杂模型机的设计与实现一、实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。二、实验设备Dais-CMX16 +计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。三、数据格式及指令系统1. 数据格式模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8 位，其格式如下：76543210符号尾数其中第 7 位为符号位，数值表示范围是：-1 X 1。2.指令格式模型机设计四大类指令共16 条，其中包括算术逻辑指令、I/O 指令、访问及转移指令和停机指令。 算术逻辑指令设计 9 条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：76543 21 0OP-CODERsRd其中

2、，OP-CODE为操作码，Rs 为源寄存器，Rd 为目的寄存器，并规定：Rs或 Rd选定的寄存器00R001R110R211R3其中 R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。 访问指令及转移指令模型机设计2 条访问指令，即存数（STA ）、取数（ LDA ）， 2为零或有进位转移指令（BZC ），指令格式为：条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果765 43 21 000M2OP-CODERdD（低八）D（高八）其中 “0 0 M ”为源码段， 2OP-CODE 为目的码段（ LDA 、 STA 指令使用）。 D 为十六位地址段（低八

3、在前，高八随后）， M 为源寻址模式，其定义如下：寻址模式 M有效地址 E说 明00E = D直接寻址01E=(D)间接寻址10E = (SP)+DSP 变址寻址11E = (PC)+D相对寻址 I/O 指令输入（ IN ）和输出（ OUT ）指令采用单字节指令，其格式如下：76543 21 0OP-CODE0 0Rd 停机指令指令格式如下：76543 21 0OP-CODE0 00 0HALT 指令，用于实现停机操作。3. 指令系统本模型机共有16 条基本指令， 其中算术逻辑指令9 条，访问内存指令和程序控制指令4 条，输入输出指令 2条，其它指令1 条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、

4、指令功能。表 5-1助记符指令格式功 能LDA M,D,Rd00M00RdE RdSTA M,D,Rd00M01RdRd EJMP M,D00M1000E PCBZC M,D00M1100当 CY=1 或 Z=1 时， E PCMOVRd,Rs0100RsRdRs RdADC Rd,Rs0101RsRdRs+Rd+CY RdSBC Rd,Rs0110RsRdRs-Rd-CY RdAND Rd,Rs0111RsRdRs RdRdCLR Rd100000Rd0 RdINC Rd100100RdRd+1 RdCPL Rd101000RdRd RdRRC Rd101100RdCY RdRLC Rd11

5、0000RdCY RdIN Rd,I/O110100RdI/O RdOUT Rd,I/O111000RdRd I/OHALT11110000停机图 5-1 复杂模型机微程序流程图按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 M7 M6 M5M4 M3 M2 M1 M0E/M IP MWRR/M目的编码OP M CNS2 S1S0源编码XP W ALUIu IE IRIcz I ds源编码目的编码M1

6、0M9M8功能M19M18M17功能X2X1X0O2O1O0111禁止111禁止110ALU110MAR101SP101BX100IOR100AX011MRD011SP010XRD010IOW001RRD001XWR000PC000RWR实验所用的机器指令程序：地址指令代码助记符功能000D0IN R0IOL R0001D2IN R2IOL R200258ADC R0,R2R0+R2 R000341MOV R1,R0R0R1004C0RLC R0RLC R00050C 00 00BZC 000HBZC 000H008F0HALT停机四、实验方法键盘操作首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工

7、作方式设为“微控在线”。在待命状态0 下按【减址】键，LCD 显示器显示工作模式选项：Dais-CMX16+XXXKLDPLD选择手动模式按【增址】键，将光标移到“ MUD ”微程序模式 ，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“ y”（搭接）或“ n”（在线），按【减址】键确定：Dais-CMX16+mudDais-CMX16+mudlst /n I/O y/nlst y/I/O y/n是，选择搭接方式，须连线否，选择在线方式，零连线接着系统询问用户是否使用扩展I/O方式，按【增址】键选择“y”（扩展I/O）或“n”（微控制器关联） ，按【减址】键确定：Dais

8、-CMX16+mudDais-CMX16+mudlst y/n I/O /nlst y/nI/O y/是，扩展I/O方式否，选择微控制器关联方式确定设置后，系统返回待命状态0。Dais-CMX16+mud设置完毕，返回待命状态机器程序与对应的微控制程序的写入：在待令状态下，键入数字键“ 4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。运行程序 单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指 ”微周期它的节拍按 T1 T3T4 次序循环，在取指微周期按 T1T2 T3T4 次序循环。 微

9、单步： 每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。 宏运行 （指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察 PC 地址是否和流程一致。 程序运行与暂停： 按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。联机运行双击桌面“ Dais-CMX集成开发环境”图标进入联机模式在联机状态下， 首先应打开mxj4.asm（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载， 如源程

10、序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。 可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：单节拍： 单击菜单 “运行 单拍运行微指令” 命令或单击工具栏 “单拍” 按钮，以单节拍方式按T1T4顺序逐步运行微程序。单周期：单击菜单“运行 单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，以单周期（ T1T4 为一个机器周期）方式逐步运行微程序。应用级调试在机器指令的层面进行逐步调试，面向应用程序，帮助用户了解机器指令的执行结果。单步机器指令：单击菜单“运行 单步运行机器指令”命令或单击工具栏“单步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇 CALL 调用时跟踪进入。宏单步机器指令：单击菜单“运行 宏单步运行机器指

11、令”命令或单击工具栏“宏单步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇 CALL 调用时跨越执行。全速运行单击菜单 “运行 全速运行” 命令或单击工具栏 “运行” 按钮，忽略实现细节， 以全速方式运行机器指令、微指令，用来验证应用程序的运行结果。暂停与复位暂停：当实验系统进入全速运行、自动单步等状态时，可随时单击菜单“运行 暂停”命令或单击工具栏“暂停”按钮，使实验系统暂停当前运行的程序，并展现暂停后的模型机现场，帮助用户观察各部件的状态。复位：在待命状态下，单击菜单“运行 复位”命令或单击工具栏“复位”按钮，可对模型机进行复位操作，初始化所有寄存器和标志位。注：复位操作不会破坏程序存储器、微程序

12、存储器的内容。表 5-2复杂模型机微指令表M2322M2120M1918M17M16M15M14M13M12M11M10 M9M8M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0微址代码M CNS2 S2 S0 X2 X1 X0代码XP W ALU Iu IE IR Icz ds代码后续微址说明E/M IP MWR/M o2 o1 o0 OP00011111111FF11111111FF11111111FF+1空操作00110111111BF11111011FB11111010FA可变IBUS IR400011100017111111011FB11101101ED001EM RD40801011

13、1115F11111001FB11101101ED001RD EM410001111113F11000110C6001011012D001BX PC41811111111FF11000110FF11110100F4420+CZ 条件变址42011111111FF11111111FF11101101ED001空操作421001111113F11000110C6001011012D001BX PC60011111010FA11111011FB11111111FF+1EM BL60110111011BB11111011FB11111111FF+1EM BH60210111100BC11000110C

14、60010011026400+OPBX AR62011111010FA11111011FB11111111FF+1EM BL62110111011BB11111011FB11111111FF+1EM BH62211111100FC11000110C611111111FF+1BX AR623011110107A11111011FB001011112F602EM BX64011111010FA11111011FB11111111FF+1EM BL64110111011BB11111011FB11111111FF+1EM BH64211111000F811111101FD001011112F663R

15、I AX64311111010FA0110011066001011112F602A+B BX续下表继上表微址 M2322M2120M1918M17M16 代码M15M14M13M12M11M10 M9M8代码 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1代M0码 后续说明E/M IP MWR/M o2 o1 o0 OPM CNS2 S2 S0 X2 X1 X0XP W ALU Iu IE IR Icz ds微址66011111010FA11111011FB11111111FF+1EMBL66110111011BB11111011FB11111111FF+1EMBH66211111000F81111

16、1000F8001111113F+1PCAX66311111000F811110110F6001011112F643AX-168011110001F111111001F9011011016D001RSRD6A011111010FA10111001B9010111115F+1RSBL6A111111000F811111001F911011111DF+1RDAL6A211110001F10100011046010011014D001A+B+C RD6C011111010FA10111001B9010111115F+1RSBL6C111111000F811111001F911011111DF+1RD

17、AL6C211110001F1010011104E010011014D001A-B-C RD6E011111010FA10111001B9010111115F+1RSBL6E111111000F811111001F911011111DF+1RDAL6E211110001F111101110EE010011014D001&A BRD70011110001F111011110DE010011014D0010 RD72011111000F811111001F911011111DF+1RDAL72111110001F111110110F6010011014D001A+1 RD74011111000F811111001F911011111DF+1RDAL74111110001F111001110CE010011014D001A 取反 RD76011111000F811111001F911011111DF+1RDAL76111110001F1010111105E010011014D001AC 右移 RD78011111000F811111001F911011111DF+1RDAL78111110001F1010101