简单模型机试验报告

1、评语：课中检查完成的题号及题数:课后完成的题号与题数:成绩：自评成绩：实验报告实验名称：简单模型机实验报告日期：班级：学号：姓名：一、实验目的：1、掌握一个简单CPU的组成原理。2、在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。3、为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。二、实验内容：本实验要实现一个简单的CPU并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（R。，指令寄存器（IR）、程序计数器（PC和地址寄存器（AR组成，如图2-1-1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指

2、令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1-4-1基本CPU构成原理图除了程序计数器（P。，其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统的程序计数器（PQ由两片74LS161和一片74LS245构成，其原理如图1-4-2所示。PC_B为三态门的输出使能端，CLR连接至CON单元的总清端CLR按下CLR按钮，将使PC清零，LDPC和T2相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU内总线上的数据打入PGLDPCT2CLRLOAD说明IN

3、-R0R0+R0-R0R0-OUTJMPaddrHLT11000000*01010000addr-PC停机图1-4-2程序计数器（PC）原理图本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP共有五条指令:IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件"$移），HLT（停机），其指令格式如下（高4位为操作码）：助记符机器指令码IN00100000ADD00000000OUT00110000其中JMP为双字节指令，其余均为单字节指令，*为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。根据以上要

4、求，设计数据通路图，如图1-4-3所示。本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表1-4-1所示。图1-4-3数据通路图系统涉及到的微程序流程见图1-4-4所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1>M试。指令译码原理见图1-3-3所示，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高6位（IR7IR2）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元，剩下的其它地方就

5、可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16进制。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表1-4-2即为将图1-4-2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”NOP00图1-4-4简单模型机微程序流程图表1-4-2二进制微代码表地址十六进制局五位S3-S0A?段邸段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D43000000000110110101000011031070700001000001110000011100000400240500000000001001000000010105

6、04B2010000010010110010000000011D105141000100000101000101000001300014040000000000010100000001003218300100011000001100000000000133280401001010000000010000000001350000350000000000000000001101013C006D5D000000000110110101011101设计一段机器程序，要求从IN单元读入一个数据，存于R0,将R0和自身相加，结果存于R0,再将R0的值送OUT单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均

7、为二进制数。地址000000000000000100000010000000110000010000000101内容001000000000000000110000111000000000000001010000助记符START:INR0ADDR0,R0OUTR0JMPSTART说明从IN单元读入数据送R0R0和自身相加，结果送R0R0的值送OUT单元显示跳转至00H地址停机三、项目要求及分析：1.试修改现有的指令系统，将加法指令的功能修改为R0勺内容和某个存储单元的内容相加；增加存数、取数和减法三条机器指令，指令助记符分别为STA、LAD和SUB指令操作码分别为十六进制的60、70和80。四

8、、具体实现:微程序流程图:INORQ01&1STAIAD5UBA-6-1R001OUTRO-XJUT2301二进制代码表地址十六进制局五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D430000000001101101010000110310707200010000011100000111001004206005001000000110000000000101052004010010000000000100000000010620600700100000011000000000011107103001000100

9、00001100000000000108006D790000000001101101010920600A0010000001100000000A10300B0001000000110000000B00240C00000000001001000032183001000110000011000000332804010010100000000100003500003500000000000000000036006D8400000000011011010137006D86000000000110110101380014080000000000010100000C05B20100000101101100

10、1000微程序：地址内容说明0000000000100000;从IN单元读入数据送R00000000100100000；先读地址再读数据，存入主存0000001001100000；取出存入主存的数据0000001100000000;R0的值送OUT单元显示0000010000110000;从IN单元读入数据送R00000010111100000；进行减法运算0000011000100000;R0的值送OUTI元显示0000011100000000;0000100001100000;HLT停机编写微程序：机器指令：$P0020;从IN单元读入数据送R0$P0160;先读地址再读数据，存入主存$P

11、0270;取出存入主存的数据$P0330;R0的值送OUTI元显示$P0420;从IN单元读入数据送R0$P0580;进行减法运算$P0630;R0的值送OUTI元显示$P0700;$P0850;HLT停机微指令：$M00000001;NOP$M01006D43;PC->AR,PC力口1$M03107072;MEM->IR,P<1>$M32183001;IN->R0$M36006D84;PC->AR,PC力口1$M04206005;AR->MEM$M05200401;R0->MEM$M37006D86;PC->AR,PC力口11110010

12、01010001011001100000001000001110101000100000110001000000001;PC->AR,PC加1$M06206007$M07103001$M33280401$M01006D43$M03107072$M32183001$M38001408$M08006D79$M0920600A$M0A10300B$M0B00240C$M0C05B201$M33280401$M00000001AR->MEMMEM->R0R0->OUTMEM->IRIN->R0R0->A;PC->AR,PC;AR->MEM;MEM-

13、>R0;R0->B;A-B->R0;R0->OUT;NOP六、所遇问题及解决方法：(1)程序运行前必须对微地址清零。拨动实验仪右下角清零开关CLR(1-0-1)后，观看实验仪右上方的微地址显示灯(UA0-UA5是否全为零，若全为零，则正确，若不全为零，说明有问题，要检查。(2)使用单步微指令运行程序，单击该系统第三行的“单步微指令”图标即可。(3)在每次单步执行一条微指令的过程中，都要观察屏幕动态流线显示的运行结果，根据屏幕显示的结果分析与该条微指令的格式和功能是否一致。若不一致，必须检查原因。七、实验总结：通过本次实验收获丰富，在做这次实验之前，通过深入的预习，理解了实验原理、明确了实验的目的，按部就班地连线，逐步完成了实验的要求。在实验过程中，我认真进行实验操作和思考实验有关的内容，把自己不太明白的问题通过实验理解清楚，取得了较好的实验结果。通过这次实验懂得了基本模型机设计与实现的基本操作，加深了对