基本模型机的设计与实现1

1、南京晓庄学院信息工程学院计算机组成原理 课程实验报实验名称： 基本模型机的设计与实现 年级专业班级： 14 级 计算机 专业专本 1 班 班级 学号：14131521姓名： 殷宇翔学号：姓名：学号：姓名：时间：2016年 12月 10 日实验目的、要求：1、在掌 握部件 单元电 路 实验的基 础上，进一步 将其组成 系统以 构造一 台基本模 型 实验计算 机。2、设计五条 机器指 令，并编写相 应的微 程序，具体上机 调试，掌 握整 机软硬件 组 成概念。、实验仪器设备、器件及环境：仪器设备名称规格型号编号备注计算机组成原理系统DWCC-C8JH20112055三、实验方法、原理：部件 实验过

2、 程中， 各部件单 元的控 制信号 是人为模 拟产生 的， 而 本次实验 将能 在微程序控制下自动产生 各部件单元控制信号， 实现特定指令的功能。 这里，实 验计算机 数据通 路的控 制将由微 程序控 制器来 完成， CPU 从内存中 取 出一条机 器 指令到指令执行结束的一 个指令周期全部由微指 令组成的序列来完成， 即一条机 器指令对 应一个 微程序 。有关微 控制器 部分在 前一实验 中已详 细介绍 主 存储器 的读、 写 和运行为了 向主存 储器 RAM 中装入程 序或数 据，并且检查 写入是 否正确 以及能运 行主存储器 中的程 序，必 须设计三个控制 操作微 程序。·存储

3、 器读操 作：拨动总清开关 后，置控 制开关 SWC、SWA 为“ 0 0”时，按要求连线 后，连 续按“ 启动运行”开关 ，可对 主存储器 RAM 连续手 动读操作 。·存储 器写操 作：拨动总清开关后 ，置控 制开关 SWC 、 SWA 为“ 0 1 ”时，按要求连线 后，再 按“启 动运行”开关， 可对主 存储器 RAM 进行连续 手动写入 。·运行 程序：拨动 总清开关后，置 控制开 关 SWC 、SWA 为“ 1 1”时，按 要求连线后，再 按“启动 运 行”开关，即 可转入 到 第 01 号“取址”微 指 令，启动程 序运行。述 三条控 制指令 用两个开关 SW

4、C 、 SWA 的状态来设置 ，其定 义如下：SWCSWA控制台指令00读内存01写内存11启动程序 指 令寄存 器介绍指令 寄存器 用来保 存当前正 在执行 的一条 指令。 当 执行一 条指令 时，先把 它从 内存取到缓冲寄存器中， 然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码 字段，由二进 制构成 ，为了执行任 何一条 给定的 指令，必须对 操作码 进 行测试 P(1)， 通过节拍 脉冲 T4 的控 制以便识 别所要 求的操 作。“指 令译码 器”根 据指令中 的操 作码进行译码，强置微控 器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首 地址。 输 入 / 输出设 备本系 统有两 种

5、外部 I/O 设备，一 种是 二进制 代码开关 KD0 KD7 ，它作为输 入 设备 INPUT ；另一种是 数码显示 块，它 作为输 出设备 OUTPUT 。例如：输入时 ， 二进制开关数据直接经过 三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不 变，输入 的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号(W/R )有 效时，将 数据打 入输出 锁存器， 驱动数 码块显 示。 设 计指令根据 基本模 型机的 硬件设计 五条机 器指令 ：外设输 入指 令 IN 、 二进制加 法指 令 ADD 、存数指令 STA 、输出到外 设指令 OUT 、无条件转 移指令 JMP 。指令格式 如下：助

6、记 符机 器指 令码说明IN00000000；“外部 开 关 量 输入 ” KD0 KD7 的 开 关 状态 R0ADDaddr00010000××××××××；R0+addr R0STAaddr00100000××××××××；R0 addrOUTaddr00110000××××××××；addr BUSJMPaddr01000000××

7、;××××××；addr PC说明指令 IN 为单 字节指 令， 其余均 为双字 节指 令， ××××××××为 addr 对应 的主存储 器二进 制地址 码。 基 本模型 机监控 软 件的设计本模 型机监 控软件 主要完成 从输入设备读 入数据，进行简单算术运算后，将结果存入内存的某个单元 ，最后通 过输出 设备输 出结果。监控 软件详细如下 ：地址内容助记 符说明0000000000000000IN“ INPUT DEVICE ”R0000000010

8、0010000ADD 0AH ；R0 0AH R000000010000010100000001100100000STA 0BH ；R0 0BH 00000100000010110000010100110000OUT 0BH ；0BH BUS00000110000010110000 1000 0000 00000000 10010000 1010 0000 0001 ；自 定义参 加运算 的数0000 1011 ；求和 结果存 放单 元四、实验内容、步骤：（ 1 ）根 据机器 指令画 出对应的 微程序 流程图本实 验的微 程序流 程见图 3.7.2，当拟定“ 取指”微指 令时，该微 指令的判

9、别测试字段为 P（ 1）测试。由于“取 指”微 指令是 所有微程 序都使 用的公 用微指令，因此 P（ 1）的测试结 果出现多路 分支。本机用 指令寄存 器的前 4位 I7I4 作为测试条件， 出现 5 路分支 ，占用 5 个固定 微地址 单元。实验 机控制 操作为 P（ 4 ）测试，它 以控制 开关 SWC 、SWA 作为 测试条件 ，出现了 3 路分 支，占 用 3 个固定微 地址单 元。当 分支微地 址单元 固定后 ，剩下的 其它地方就 可以一 条微指 令占用控 存一个 微地址 单元随意 填写。0000 01110100 0000JMP 00H 00H PC注意：微程序流程图 上的单元

10、地址为 16进制。 （ 2 ）根 据微程 序流程 图设计微 指令并 转换成 16 进制代码 文件。当全 部微程 序设计 完毕后 ，应将 每条微 指令代码化 ，即 按微指 令格式将图 微程序流 程图转 化成二 进制微代 码表， 如表 所示，再转换 成 16 进制代码 文 件。运行微程序 01IN01 03ADDOUTRAMBUSBUSAR04RAM BUSBUS AR 07 0D ROBUS BUS RAMRAM BUS BUS ARRAM BUSBUS DR2 06 (DR1)+(DR2) RO010101JMP01控 制器十六进制微地址00图 微程序流程图监控程序的 16进制文件 格式 程序

11、： P00 00 P01 10 P02 0A P03 20文 件名 C8JHE1 )： P04 0B P05 30 P06 0B P07 40 P08 00 P0A 01 微程序： M00 108105 M01 82ED05 M02 48C004 M03 04E004 M04 05B004 M05 06A205 M06 019A95 M07 0DE004 M08 011004 M09 83ED05 M0A 87ED05 M0B 8EED05 M0C 96ED05 M0D 018206 M0E 0FE004 M0F 15A004 M10 92ED05 M11 94ED05 M12 17A004

12、M13 018005 M14 182004 M15 010A07 M16 81D104 M17 100A07 M18 118A06表 二 进 制微 代 码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE B1 B0ABCUA5UA0000000010110 0 00 0 010 00 1 0 0 0 0010000010111 1 01 1 011 00 0 0 0 1 0020000010011 0 00 0 000 10 0 1 0 0 0030000010011 1 00 0 000 00 0 0 1 0 0040000010010 1 10 0 000 00 0 0 1 0 105000

13、0010110 1 00 0 100 00 0 0 1 1 0061001010110 0 11 0 100 00 0 0 0 0 1070000010011 1 00 0 000 00 0 1 1 0 1080000010000 0 10 0 000 00 0 0 0 0 1090000010111 1 01 1 011 00 0 0 0 1 10A0000010111 1 01 1 011 00 0 0 1 1 10B0000010111 1 01 1 011 00 0 1 1 1 00C0000010111 1 01 1 011 00 1 0 1 1 00D0000011010 0 00

14、 0 100 00 0 0 0 0 10E0000010011 1 00 0 000 00 0 1 1 1 10F0000010010 1 00 0 000 00 1 0 1 0 1100000010111 1 01 1 011 00 1 0 0 1 0110000010111 1 01 1 011 00 1 0 1 0 0120000010010 1 00 0 000 00 1 0 1 1 1130000010110 0 00 0 000 00 0 0 0 0 1140000010000 1 00 0 000 00 1 1 0 0 0150000011100 0 01 0 10 0 00 0

15、 0 0 0 1160000010011 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 11 70000011100 0 01 0 100 00 1 0 0 0 0180000011010 0 01 0 100 00 1 0 0 0 13）读 写程序手 动方法 写微程 序参看实 验六。手动 方法写 代码程 序（机器 指令） 步骤如 下：通过 上一步 将 机器 指令对应 的微代 码正确 地写入 E2ROM 2816 芯 片后，再 进 行机器指 令程序 的装入 和检查。A. 将“编 程开关 ”置“运行 ”位置 ，“运 行控制” 开关置 “运行 ”位置， “运 行方式” 开关置 “单步 ”位置。B.

16、 拨动总 清开关（ 01），微 地址寄 存器清 零，程序 计数器 清零。然后使控 制 开关 SWC 、 SWA 开关置为“0 1”，按动一次“启动运行”开关，微地址显示灯 LUA0 LUA5 显示“ 010001 ”，再按动一 次“启动运行”开关，微地址显 示灯 LUA0 LUA5 显示“ 010100 ”，此时数据 开关的 内容置 为要写入 的机器 指令 ，再按动一 次 “启动运行”开关，即完 成该条指令的写入。若仔细阅读微程序流程，就不难发 现，机 器指令 的首地 址只要第一 次给出 即可，PC会自动加 1，所以，每 次按动“启 动运行”开关，只有在微 地址灯显示“010100”时，才设置

17、内容，直到所有机器 指令写完 。C. 写完程 序后须 进 行检验。拨 动总清 开关 （0 1）后，微地 址清零， PC 程序计 数器清零 ，然后 使控制 开关 SWC 、 SWA 为“ 0 0”,按动“ 启动运 行” 开关，微 地 址灯将显示“ 010000 ”，再按“启动运行”开关，微地址灯显示为“010010 ”，第 三次按 “ 启动运 行”开 关 ，微地址 灯显示 为“ 010111 ”，此时 总线数 据显示 灯 LZD0 LZD7 显示为该首 地址的内容，再 按动一次 “启动 运行” 开关， 微地址灯 显示为 “ 010000 ”， 2 位 数码管 即显示 RAM 中的程 序 。不断按

18、 动“启 动运行 ”开关， 可 检查后续 单元内 容。注意：每次仅 在微地址灯显示为“ 010000 ”时， 2位数码管显示的内容才是相 应地址 中的 机 器指 令内容 。 联机 读 / 写微程 序和机器 指令用联 机软件 的装载 功能将 16 进 制格式 文 件（文件 名为 C8JHE1 ）装入实 验系 统即可（ 详细操 作见随 机软件的 README ）。（ 4 ）运 行程序 单步 运行程 序A. “编程开 关”置 “运行” 状态，“运行 方式”开关置 为“单步 ”状态 ,“运 行控制” 开关置 为“运 行”状态 。B. 拨动总 清开关 （01）， 微地址 清零， PC计数器清 零，程 序首地 址为 00H。C. 按 动“ 启动 运行 ”开关 ，即 单步 运行 一条微指 令。 对照 微程 序 流程图 ，观 察微地址 显示灯 是否和 流程一致