淮海工学院组成原理实验四基本模型机的设计与实现.pdf

-淮海工学院计算机工程学院实 验 报 告 书课程名课程名计算机组成原理题目:基本模型机的设计与实现班级：学号：姓名:-一、实验目的一、实验目的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。二、实验原理二、实验原理部件实验 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，U 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。存储器读 操作：拨 动总清开关 后，置控 制开 关 SC、SWA 为“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 SC、SW为“0”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 SC、SWA 为“”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。上述三条 控制指 令用两 个开关 SWC、SW的状态来设 置，其 定义如 下：SWCSWA控制台指令-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 两种外部 I/O 设备,一种是二 进制代 码开关 KD，它作为输入设备 IPUT;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 OU、无条件 转移指 令 M。指令 格式如下:助记符机器 指令码说明N0000 0；KD7 的开关状态“外部开关量输入”KD0 011读内存写内存启动程序ADad10000;+add 0STaddr00100000；R0addr OT r0010000；addr UMadr01000；ddr PC-说明:指令 IN 为单字节 指令，其余均 为双字 节指令,为adr 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000000000 000；“NPUTEV E”R00000001 0000ADD0H;R00AH 00000 001 0001 0000 100000S0BH；R0BH00000000000101000 01101100OT0;0BH BUS0000 0110000101000 111010000JMP00H；00HPC0001000000000001010001100000；自定 义参加 运算的 数0 0 011；求 和结果 存放单 元三、实验电路三、实验电路1 1、实实验验连连线图线图a、跳线器 J1J12 全部 拨在右边(自动工作 方式)；b、跳线 器 6、1、J23、24 全部拨 在左边;c、跳线器 J3J1、J19、J25 拨在右边;-d、跳线 器 0J22、J26、J2连上短路 片；e、UJ连 UJ，J 1 连 JSE2，SJ1 连 S2;f、BUS 连 BS2;g、REGBU 连 BUS5；h、PCBUS 连 EXJ2；i、AL US 连 E 3;、AUO1 连 US1；k、EXJ1 连 U；、实实验原验原 理理图图参见图.1。-地址总线ALUBAR(74273)MCNLDARS3S2S1S0ALURAM输出设备CECEW/RCELEDBPCBDR1(74273)DR2(74273)PC(74161)LDADLDPCW/RLDDR1LDDR2数据总线R0BR0(74374)LDR0时序微控器W/R译码器CS0CS1CS2SWBCE输入设CPUIR(74273)LDIR图 3.7.1 数据通路框图四、实验步骤四、实验步骤根据机 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 前位 7I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、SA 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。注注意意:微微程程序序流程流程 图图上的单上的单 元元地地址为址为 1616 进制进制。根据微程 序流程 图设计 微指令并 转换 成6 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 3 7 2微程序流 程图转 化成二 进制微代 码表,如表.1 所示，再转 换成 16 进制代码文件。-运 行微 程 序01PCPC+1AR02RAMBUSBUSIR08P(1)KWE(01)INADDSTAOUTJMP08090A0BPCARPCARPCAR0C11PCSWR0PCARPC+1PC+1PC+1PC+1PC+1ARRAMBUS03RAMBUS07RAM0E161401RAMBUSBUSBUS(SW)BUSARBUSARBUSARBUSPCBUSDR1RAMBUS04RO0DBUSRAM0F0118BUSBUSRAMBUSDR2BUSDR1DR1RAM0515RODR101DR1LED(DR1)+(DR2)06RO0101图 3.7.2 微程序流程图监监控控程程序的序的 1616 进制进制 文件文件 格格式式(文文件名件名 C8JHC8JH ）:程程序序：0 0P10$P02 0 P03 2 P040B$P0 3$P06BP07 40P0800 0A 0 微微程程序序：$M00 108 05$M0 E05$02804$M03 04E00 M4 B0$M05 06 205-控 制器00十六进制微地址10P(4)(SWC SWA)KRD(00)RP(11)1013PCARPC+112RAMBUSBUSDR10117DR1LEDM6099$M07 0DE00$M081004M0 83ED 5 0A 7ED0 M0B8EED 5MC 6D05M0D1806M0E 0F 004M0F15A00 M10 9 ED05$M1 ED05 12 17A00 M1318005 14 82004 15010A07$M16 8 D14M17 1 A7M1811A06-表表。71二二进制进制 微代微代 码码表表读写程 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 E2O 21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。拨动总清 开关（），微 地址寄 存器 清零，程序计 数器清 零.然后使控制开关 W、SWA 开关置为“”，按动一次“启动 运行”开关，微 地址显示灯 LUALUA5 显示“00001”,再按动一次“启动 运行 开关,微地址 显微地址0 0 1 30 0 560 780 00B C0D0 E0 F10111 21 3 41517 S2 S1 S0 M C WE B1 B0001010 0000000011 0 0000000011 1 000000001 1UA5 A0B11 0 0 0 0 000 000 0 0 100 0 00 0 000 0000101110 0 11 0 0 0 1 000000 100 1010101011 0 0 1 00 00 0 00000101 00 0 00 0 0 1 0 10001 0 10000101 1 00 0 00 0 0 0 0 0 111 01 0 0 000000010111 10 1 1 0 0 0 1 1000010111 1 1 1010 1000101 1 1 1 110 1 0 1 0000001110 0 00 0 100 0 0 0 0 00001001 00 0 00 00 0 00000 1 0 0 001 10000011 10 1 1 00 1 0 0 1 00001011 1 01 0101 0 1 0 00000000 100 0 000 00 1 1 1 100000011 0 0 000 00000000100001 0 0 0001 0011-0 0 0 10000100 0 0 0000010 1 0 1000 011 00 0 0 0000 1 0 0 0 00000110 00 0100 00 0-示灯 A0LUA显 示“01100”，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，P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“01100”时，才设 置内容,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（01)后，微 地址清 零,PC 程序计数器清 零，然 后使控 制开关 SW、SA 为“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“10111”，此时总 线数据 显示灯 LZD LD7 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“0 00”,2 位数码管即显示RAM 中的 程序。不断 按动“启 动运行”开关，可检查后 续单元 内容。注注意意:每每次次仅仅在微在微 地地址灯显址灯显 示示为为“0101000000”时时,2,2 位位数数码码管显管显 示示的内的内 容才容才 是是相相应应地地址址中的中的 机机器指器指 令令内容内容.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 CJH1）装入实验系统即可(详细操作 见随 机软件的 README）。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 0。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。连续运行 程序A.“编程 开关 置“运行”状 态，“运行 方式”开关 置为“连续”状态，“运行控制 开关置 为“运 行”状态.B 拨动总清 开关,清微地址及 计 数器，按动“启动运 行”开关，系统 连-续运行程 序。如 果要停 止程序的 运行,只需将“运行控制”开关 置为“停止”状 态,系统就停 机。C.停机 后，可 检查存 数单元 0BH 中的结果是 否正确.五、实验分析五、实验分析1、当外部开关量输入D0KD为000111，运行程序后 检查存 数单元 BH 中的结果是否 正确。答：据实验显示存数单元0BH 的结果正确.是 08、当外部开关量输入同上，若运行程序后希望 存数单元 BH 中的结 果是 0FH，则应该如何 修改模 型机 监控程序的 16 进制格式文件(文件名 C8JHE1）?答:模型机监控程序的 16 进制格式文件为0六、思考题六、思考题1、结合图 3.7。2 微程序流程图,说明 ADD、STA、OUT、JM指令各是何种数据寻址方式？答:D、SA、OUT 都是间接寻址方式；而JMP 是直接寻址方式。、在手动方法写代码程序（机器指令）时，每次按动“启动运行”开关,为什么只有在微地址灯显示“010100”时，才能设置内容，直到所有机器指令写完？答: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“01010”时，才能设置内容，直到所有机器指令写完。3、在手动方法写完程序后进行检验时，为什么每次仅在微地址灯显示为“0000”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？答:当微地址 等为 1 0 时显示 的才是 首地址的内 容，此时 按动 SART 才会显示后续 的各个 单元内 容。-实验结果图实验结果图本小组所选运算：F（A+)加（AB）本组所选数据 :A=0B=2 A+BA*/B结果0000 0101 0000 0100101+01 0000110 1111加 0000 01010010 0101 000 010100100（2A)代码就是把M0601A95 改成$6019A55-