模型机实验报告(共18页).docx
精选优质文档-倾情为你奉上哈尔滨工程大学实 验 报 告实验名称： 复杂模型机设计与实现班 级： 学 号： 姓 名： 实验时间： 成 绩： 指导教师： 程旭辉 附小晶实验室名称： 计算机专业实验中心一、 实验名称： 复杂模型机的设计与实现二、 实验目的：1综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。2设计指令系统。3编写简单程序，在所设计的复杂模型计算机上调试运行。三、实验设备： GW-48CPP系列计算机组成原理实验系统。四、实验原理：1数据格式模型机采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，其格式如下：7符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-11。2指令格式所设计的指令分为四大类共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问、转移指令和停机指令。（1）算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，采用寄存器直接寻址方式，其格式如下： 7654 3210OP-CODErsrd其中，OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：Rs或rd选定的寄存器000110R0R1R2（2）访问指令及转移指令访问指令有2条，即存数（STA）、取数（LDA）；2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：7654321000MOP-CODErdD其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（用于LDA、STA指令）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=（D）E=（RI）+DE=（PC）+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址在本模型机中规定变址寄存器RI为寄存器R2。（3）I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：76543210OP-CODEaddrrd其中，addr=01时选中“INPUT DEVICE”中的键盘输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LCD点阵液晶屏作为输出设备。（4）停机指令指令格式如下：76543210OP-CODE00003指令系统共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入/输出指令2条，其他指令1条。各条指令的格式、汇编符号、功能如表7-1所示。助记符号指令格式功能CLR rdMOV rs，rdADC rs，rdSBC rs，rdINC rdAND rs，rdCOM rdRRC rs，rdRLC rs，rd011100rd0 rd1000rsrdrs rd1001rsrdrs + rd + cy rd1010rsrdrs rd cy rd1011rdrd + 1 rd1100rdrs rd rd1101rd rd1110rd1111rdLDA M，D，rdSTA M，D，rdJMP M，DBZC M，D00M00rdDE rs00M01rdDrd E00M10rdDE PC00M11rdD当CY=1或Z=1时，E PCIN addr，rdOUT addr，rd010001rdaddr rd010110rdrd addrHALT01100000停机本模型机的数据通路框图如图7-1。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图7-2。图7-2 微程序流程图五、实验内容：按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。微代码定义如表7-1所示。2423222120191817169 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0微程序$M00 $M01 01ed82$M02 00c050$M03 00a004$M04 00e0a0$M05 00e006$M06 00a007$M07 00e0a0$M08 00ed8a$M09 00ed8c$M0A 00a030$M0B $M0C 00202f$M0D 00a00e$M0E 01b60f$M0F 95ea25$M10 00ed83$M11 00ed85$M12 00ed8d$M13 00eda6$M14 $M15 $M16 $M17 3d9a01$M18 $M19 01a22a$M1A 03b22c$M1B 01a432$M1C 01a233$M1D 01a426$M1E $M1F $M20 $M21 $M22 05db81$M23 0180e4$M24 $M25 95aaa0$M26 00a027$M27 01bc28$M28 95ea29$M29 95aaa0$M2A 01b42b$M2B 959b41$M2C 01a42d$M2D 65ab6e$M2E 059a01$M2F 078a09$M30 050a08$M31 $M32 059a01$M33 01b435$M34 05db81$M35 b99a41$M36 0d9a01$M37 $M38 $M39 $M3A $M3B 070a08$M3C $M3D $M3E $M3F 六、实验框图设计：模型机设计主要是包括：控制器、存储器、运算器、输入、输出。主要的设计是SE-5是根据FC,FZ,T4,P4.1,SWA,SWB,I7.2来控制输出的SE1.6，控制地址的跳转。当SE输出0时Q输出1，当SE输出1时，Q输出D；SE-5：（SE 6-1）：在波形图中实现跳转的时候，会出现如图：刚开始对此变化不理解，自习观察SE6-1时，SE6.1作为控制端，SE为1时Q输出D，SE为0时Q输出1，达到跳转的功能，但是还隐含一个细节是：在SE有0的时候，SE不用T2的时钟触发，地址会直接会发生跳转，所以会出现如图微地址由20直接跳到31。1和3：移位寄存器：SHEFT 和控制移位器的进位：说明：移位寄存器的M位有M20来控制，S1.0由M22.21来控制，控制进位由SHE_C0来控制，假设上次的移位器有进位，那么上次的SHEFT_CN输出1，在控制移位器进位的器件上，当需要进位时，即：AR=1，（通过观察微指令开看AR进位时才选中）那么会有进位，此时在下一次带进位的移位时，SHE_C0=1;2.控制ALU进位的器件： 说明：在此器件中，AR为控制端，上次的进位溢出位FC连到D0上M19与Q非的或，连接到ALU_CN，当M19=1时表示不带进位的运算，那么ALU_CN的结果肯定是1，在下次运算时肯定是不带进位的运算。当M19=0，时，表示运算器运算是带进位的运算，若上次的运算FC=1，若选中AR则，表示本次的运算时带进位的运算，则在T2周期时，Q=1，那么ALU_CN的输出是0，将结果输入到ALU的进位控制端，控制本次的进位运算。4通过编程控制可编码寄存器的选择：.内部结构：说明：这是通过两个2-4译码器组合而成的选择器，根据decoder_b产生的控制信号，并且在编程时编写的I0I3指令来控制，RS,RD,RI.寄存器的选择。为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：R0àRS;R1àRD;R2àRI;七、程序表设计：表7-2微指令格式121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B987选择000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARA字段B字段C字段实验程序如下：根据框图的设计以及书中的指令系统功能表，在编码的时候考虑到的情况主要是用指令指定哪个寄存器，以及在实现LDA，STA，JMP，BZC，是选用的哪种寻址方式，为了全面的测试框图实现功能的正确性，在设计程序流程的时候所有的功能，以及所有的寻址方式都用到了，下面就是我设计的实验程序：地址数据16进制表示助记符0041IN：SW->RD(27)0140IN:SW->RS(26)02A1SBC:(RD-RS)=>RD0359OUT:RD=>LED0491ADC:(RD+RS)=>RD0559OUT:RD=>LED06B1INC:RD+1=>RD0759OUT:RD=>LED08C1AND:(RD)AND(RS)=>RD0959OUT:RD=>LED0AD1COM:RD取反=>RD0B59OUT:RD=>LED0CE1RRC:将RS中的数循环左移0D59OUT:RD=>LED0EF1RLC:将RS中的数循环右移0F59OUT:RD=>LED1081MOV:RS->RD 1159OUT:RD=>LED1242IN:SW=>RI (存入的数：10H)1301LDA:RAM=>RD141E把1E里的数送到RD中1515STA:RD=>RAM161F将RD中的数存到1F的地址中去172AJMP:1811在变址寻址中用到（10H+11H）193DBZC:1A03 没有用到1B60HALT:停机指令1C00没有用到1D00没有用到1E0F在执行LDA是会用到0F1F0F在执行STA时会存到此地址2000在执行LDA存到此位置21OUT读出RD中的数222AJMP：跳回到断点位置2309执行JMP时用到此数将设计好的程序表写入到内存中，然后读内存，然后执行程序。七、实验过程分析：模型机过程分析：1. 首先在ROM中已经存入了微代码，这里，在实验中发现35是错误的，正确的应该是：01A426，这是通过实验验证的。在SE-5的控制下，产生SE信号，控制微代码的后六位是否发生改变，从而判定是否发生跳转，产生的微地址送到uaddr中，指示到下一条的指令。2. 每一条微代码，通过decodera，decoderb，decoderc，decoder2-4产生相应的控制信号，在观察了四个器件的的内部结构后，得出decodera选中的信号是输出1，得出decoderb选中的信号是输出0，得出decoderc选中的信号是输出1，decoder2-4输出0，这样在结合74148优先权编码器后才能完整的控制总线以及相应的输出。3. reg_3是可编程寄存器，利用指令可以选用不同的寄存器，在此模型机自己设计了一个DECODERREG部件通过，RD_B, RD_B, RD_B,以及I3-I0来控制选用相应的寄存器。为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：R0àRS;R1àRD;R2àRI;4. 在微程序流程图中在进行相对寻址时框图47是错误的应该是：PC àBUS,BUSàDR2;波形图分析：1. 开始执行程序，执行指令是40，执行的是IN指令，将27存入了指定的寄存器RD。说明：为编程方便用I0，I1，I2，I3，来控制选取：2. 此时指令是：40，将26存入RS：3.指令：A1：（RD-RS）=27-26=01，将结果存入RD中。4.将RD中的结果输出到led中显示：此时的指令是（OUT：59）。5.执行ADC（91）指令：（）（）存入中：.执行OUT指令，将中的结果输出：执行INC指令，并将加的结果输出到中：.执行AND（C1）指令，(RD)AND(RS)=(28 AND26)=20,然后执行OUT（59）指令，并将结果输出到led中显示：9.执行COM取反指令，RD中的值是20取反后为DF，并执行OUT指令后在led中显示：10.执行RRC指令，RS中值是26循环右移后的结果是13，并执行OUT指令，在led中显示：11.执行RLC指令，将RS中的26循环左移后的结果是4C并将结果在led中显示：12.执行MOV指令(RS->RD)=26,并执行OUT指令，在led中显示：13.先执行IN指令(),将10存入到指定的RI寄存器中，然后执行LDA指令，将指令中的0F存入到RD中。14.通过间接寻址方式执行STA（15）存数指令，将RD中的0F存入到RAM中:15.通过变址寻址方式执行JMP指令，跳到21执行OUT指令，读出LDA中RD中的数：16.执行OUT指令，将RD中的数读出来，然后执行JMP指令跳回到断点地址继续执行。17.通过相对寻址方式，执行BZC指令：在PC 值为1A时将PC送到AR，此时RAM里的值是03H，并送入DR1，在执行完微地址为23后，PC的值变为1B，将1BH送入DR2中，03H与1BH相加，相加后FC与FZ的值都不为1，所以在进行P（3）测试后跳到了44.八、实验结果中遇到的问题：实验结果中遇到的问题：在刚开始的时候，在看流程图时，在刚开始的时候，明白微地址的跳转是如何实现的，但是每个框图的具体实现却搞得不是很明白，在看明白了decodea, decodeb, decodec,和74148以及reg_3的内部结构，才明白了具体的电路，以及最终的信号输出的正负，如何控制总线的选择，在不同的时钟周期，实现不同的功能。在复杂的模型机设计的时候，对于可编码寄存器的选择，以及ALU以及SHEFT的进位控制端的控制信号的实现。在设计程序表的时候花的时间比较多，对于实现JMP跳转的时候，对于它的跳转煞费苦心，要实现原来书本中提到的断点跳转功能。九、实验体会：通过模型机的实验，对于计算机五大部件的协同工作，以及微命令的产生和控制信号的控制的具体实现，在实验中遇到困难和问题时与队友惊醒商量，互相提出方案，设计部件，实现要得到的功能。专心-专注-专业
