基本模型机设计与实现

1、目 录绪 论- 1 -1、 课设目的- 1 -2、课设意义- 1 -一、实 验 原 理- 2 -线 路 连 接 图- 6 -三、 实 验 步 骤- 6 -四、运行调试及结果分析- 9 -五、设计体会与小结- 13 -六、参 考 文 献- 14 -七、 附 录- 15 -绪 论1、 课设目的(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构造一台基本模型计算机。(2).为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。2、课设意义 掌握计算机系统的组成及内部工作机制,理解计算机各功能部件工作原理的基础上,深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程,进一步加深计算机系统

2、各模块间相互关系的认识和整机的概念,培养开发和调试计算机的技能,在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。一、实 验 原 理1在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，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。2指令格式（1）指令格式采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：位 7654 3210功能OP-CODErsrd其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为

3、目的寄存器，并规定：Rs或rd选定的寄存器000110R0R1R2助记符机器指令码Addr地址码功能说明I INAD ADD addrST STA addrOU OUT addrJM JMP addr0 0H1 0H XX H2 0H XX H3 0H XX H4 0H XX H“INPUT”中的数据R0R0+addr ->R0R0 -> addraddr -> BUSaddr PC其中IN为单字长（8位二进制），其余为双字长指令，XX H 为addr对应的十六进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。1、存

4、储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 0”时，可对RAM连续手动读入操作。2、存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“0 1”时，可对RAM连续手动写操作。3、启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWA、SWB为“1 1”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）24232221201918171615 14 1312 11 10987654321S3S2S1S0MC

5、nWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0 表1 24位微代码定义A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P（1）010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P（4）101LOAD101ALU-B101LDAR110LDAR110PC-B110LDPC表2 A、B、C各字段功能说明系统涉及到的微程序流程见图1。当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测试字段为P(1)测试。由于“取指令”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（见图1左图）

6、。用指令寄存器的高4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定地址单元。控制台操作为P(4)测试（见图1右图），它以控制台信号SWB、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制存储器的一个微地址单元，随意填写。注意：微程序流程图上的微地址为8进制！ 图1 微程序流程图(注：图中的DR1应改为DR0, DR2应改为DR1) 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表3即为图1的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。微地址微指令S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8A

7、BCUA5UA0000181100000000110000001000100000100ED820000000011101101100000100200C0480000000011000000010010000300E0040000000011100000000001000400B0050000000010110000000001010501A20600000001101000100000011006919A011001000110011010000000010700E00D000000001110000000001101100010010000000000010000000000011100

8、ED830000000011101101100000111200ED870000000011101101100001111300ED8E0000000011101101100011101400ED9600000001111011011001011015038201000000110000010000000011600E00F0000000011100000000011111700A0150000000010100000000101012001ED920000000111101101100100102101ED940000000111101101100101002200A010000000001

9、010000000010000230080010000000010000000000000012406201100000110001000000001000125070A010000011100001010000000012600D181000000001101000110000001 表3 二进制微代码表线 路 连 接 图 图2 线路连接图3、 实 验 步 骤1. 按图1连接实验电路2. 联机写程序按照规定格式，将机器指令及微指令二进制代码表(如表4)编辑成十六进制的文件。机器代码：$P0000$P010B$P0210$P030A$P0420$P0530$P0640$P0A01$P0B0C$

10、P0C02微指令格式： $M00018110 $M0200C048 $M0300E004$M0400E005$M05009001$M0600E007$M0700B00D$M0801ED83 $M0901ED86$M0A01A20F$M0B070201$M0C01800C$M0D01A20E$M0EE99A01$M0FF59A01$M1001ED92$M1101ED92$M1200A017$M13018001$M14002018$M17070A10$M18068A113. 联机运行 联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，选择(运行)(通路图)(复杂模型机)功能菜单打开相应的动态数

11、据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。 01 PCAR PC + 1 02RAMBUSBUSIR P(1) 10 MOV OR DEC OUT HLT 10 11 12 13 14HLTR0LEDR0DR1PCARPC + 1PCARPC + 1 03 06 17 DR1-1 R0RAMBUSBUS ARRAMBUSBUS AR 01 04 07RAMBUSBUSDR2RAMBUSBUS AR 01 05 15R0DR1RAMBUSBUS R0 16DR1 +DR2 R0 01 01图3 微程序流程图四、运行调试及结果分析 先C/ZC/CMP选择1通道进入实验，按F4写入我们的程

12、序名称，待数据装入后，按F6 debug进入CPU的原理图。按F2单步执行程序，下面就是实验进程。 把05H1AH /存数到存储单元1AH，首先在数据开关置数05，然后把05赋给R0，然后找到地址1AH，把R0的值赋给1AH 把01H1BH /存数到存储单元1AH，首先在数据开关置数05，然后把01赋给R0，然后找到地址1BH，把R0的值赋给1BH 1AHR0 /存数到R0，直接从数据开关置数赋给R0 把1A输入内存 把1AH送给地址寄存器，得到ram的值为1AH里面的值=05H R01CH /将R0内容送到存储器单元 1CHBUS /显示存储单元1CH内容，可以在LED灯上显示04H。五、设

13、计体会与小结本次实验经历了三大步骤。首先，连接电路；其次，装载课程设计指导书上设计的程序并运行,通过观察运行情况和数据在总线上的流动,了解各功能部件的工作原理。最后是自己设计程序并装载运行。对于自己要设计的程序首先根据题目要求写出它的汇编格式，再根据这个汇编格式写出机器指令并设计出微程序流程图。最后根据所设计的微程序流程图写出其微指令代码。这些工作完成后把所设计的机器指令和微程序代码改写成指定的格式装载到实验机上运行，观察运行过程和设计目的是否一致。如果不一致,要进行适当的修改直到一致为止。通过这次的课程设计，我明白了机器指令和微指令之间的关系,机器指令为微指令提供入口以及操作数或操作数的地址

14、,微指令具体实现机器指令所指定的功能。此外,通过这次实验,我对微程序控制器的工作方式有了更进一步的理解。在整个实验过程中我们遇到了很多麻烦，其中最主要的有微程序的编写，它需要和指令格式表中进行严格的对照,尤其是在UA5UA0的6位后续微地址，分别由6个控制位译码输出多位。根据UA5UA0所对应的代码进行P测试,使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环。再者就是在调试程序中所遇到的困难,由于一个学期的使用实验的模拟机的某些部件可能存在问题,尤其常见的是电源线的故障,所以我们在调试程序的过程中首先遇到的就是排除机器故障的问题。接下来便是将相应的机器指令存入内存,微指令存入控制

15、存储器中。这些都是一些比较琐碎的工作所以稍微疏忽便会出错。 这次实验再次让我们体会到了团队合作的快乐,可以说如果没有大家齐心协力,我们就不能完成这个实验.正是由于大家的团队精神,在讨论时能各抒己见,不断的交流和学习,我们才能依靠集体的力量,顺利的完成了这个实验。六、参 考 文 献1. 胡越明主编. 计算机组成与系统结构. 电子工业大学出版社2. 白中英. 计算机组成原理与应用 工业出版社 3. 王子齐著. 计算机组成原理. 科学技术出版社7、 附 录机器指令程序：1.本实验要求实现以下指令流程：指令执行流程：输入两个数05,01分别送到存储器地址单元1AH,1BH， 051AH /IN，STA 011BH /IN，STA 1AHR0 /IN R0 R0 /自己设计 R0-1BH R0 /自己设计 R01CH 1CH LED显示存储单元1CH内容2相应机器指令程序如下：地 址（二进制） 内 容（二进制） 助记符 说 明0000 0000 0000 0000 IN “05”R00000 0001 0010 0000 STA 1AH R01AH0000 0010 0001 10100000 0011 0000 0000 IN “01”R00000 0100 0010 0000 STA 1BH R01BH0