计算机硬件实验-基本模型机

2023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心1计算机硬件实验课件教师：武俊鹏程旭辉孙建国付小晶单位：计算机实验教学中心图1计算机组成机器语言程序01010110101010111100010010101011………输入设备输出设备外设CPU控制器运算器寄存器组内部总线主存系统总线汇编语言程序ADDMOVJMP……高级语言程序1+1=？while{}……编译编译计算机硬件实验2023/8/203实验七基本模型机实验目的

在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心理论基础计算机的组成部件

计算机的5大部件中，如图1所示。运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元”（CPU：CentralProcessingUnit）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机”。而输入设备和输出设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。理论基础

图1计算机的组成部件输出设备输入设备运算器控制器存储器控制流CS数据流DS计算结果程序2023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机专业实验教学中心6基本模型机数据通路图4基本模型机数据通路框图2023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机专业实验教学中心7返回2023/8/208

基本模型机逻辑电路哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/209

基本模型机逻辑电路哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2010实验七基本模型机实验原理（一）

基本模型机的核心部分就是微处理器。微处理器主要由控制器和运算器组成。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：

1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；

2、对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以启动相应的操作；

3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2011实验七基本模型机实验原理（二）相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。

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。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2012实验七基本模型机控制台命令设计为了向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，如表3所示。（1）存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWB、SWA为“00”时，可对RAM连续手动读操作。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（2）SWB、SWA为“01”时，可对RAM连续手动读操作。（3）启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWB、SWA为“11”时，即可转入到01号“取址”微指令，启动程序运行。表3控制台命令哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2013实验七基本模型机基本模型机机器指令设计采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如表所示（前4位为操作码）：其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。2023/8/2013图11简单模型机机器指令哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2014实验七基本模型机微代码定义

表4微代码定义哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2015实验七基本模型机微程序设计图12微程序流程图哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/2016实验七基本模型机二进制微代码设计表5二进制微代码表哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机专业实验教学中心17基本模型机设计举例：ADD指令1、数据通路流程2、微程序流程01PC->AR,PC+102RAM->BUS,BUS->IR10P(1)分支测试11PC->AR,PC+103RAM->BUS,BUS->AR04RAM->BUS,BUS->DR205R0->DR106(DR1)+(DR2)->R02023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机专业实验教学中心18基本模型机设计2023/8/2019实验七基本模型机程序代码哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机实验教学中心2023/8/20哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院计算机