CPU组成与机器指令执行实验.ppt

五五 CPU组成与机器指令执行实验组成与机器指令执行实验将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；联机，组成一台模型计算机；用微程序控制器控制模型机数据通路；用微程序控制器控制模型机数据通路；通过通过TEC-5执行由执行由8 条机器指令组成的简单条机器指令组成的简单程序，掌握指令与微指令的关系，牢固建立程序，掌握指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。计算机的整机概念。TEC-51 1数据通路总体框图数据通路总体框图 数据数据数据数据 指令指令指令指令RAMRAMIDT7132IDT7132 A B A BRFRFispLSI1016ispLSI1016DR1DR174LS27374LS273DR2DR274LS27374LS273ARAR74LS16374LS163PCPC74LS16374LS163控制台控制台控制台控制台ALUALU74LS18174LS181A BA B控制器控制器控制器控制器IRIRS3S3S2S2S1S1S0S0LDDR1 LDDR1 T2T2LDDR2 LDDR2 T2T2LDAR#LDAR#T2 T2 LDPC#LDPC#T2 T2 RAM-BUS#RAM-BUS#LR/W#T2LR/W#T2 CEL#CEL#CER#CER#PC+1PC+1AR+1AR+174LS27374LS273C SWC SWB SWAC SWC SWB SWAIRIR3-03-0LDIR LDIR T3T3 IRIR7-47-4MMCn#Cn#ALU-BUS#ALU-BUS#LDRiLDRiT3T3 RD1RD1RS1RS1SW-BUS#SW-BUS#控制信号控制信号控制信号控制信号IBUSIBUS7 7-0 0DBUS DBUS 7 7-0 0RS0RS0RD0RD0WR1WR1WR0WR0ARAR7 7-0 0 PCPC7 7-0 0C CLDRiLDRiT3T3 RS-BUS#RS-BUS#TEC-52 2实验设备实验设备TEC-5计算机组成原理实验系统计算机组成原理实验系统1台；台；TDS1001数字存储示波器数字存储示波器1台；台；逻辑测试笔逻辑测试笔1支。支。TEC-53 3实验任务实验任务将简单程序进行译码，按指令格式汇编成二进制机将简单程序进行译码，按指令格式汇编成二进制机将简单程序进行译码，按指令格式汇编成二进制机将简单程序进行译码，按指令格式汇编成二进制机器代码。器代码。器代码。器代码。完成控制台、时序部件、数据通路和微程序控制器完成控制台、时序部件、数据通路和微程序控制器完成控制台、时序部件、数据通路和微程序控制器完成控制台、时序部件、数据通路和微程序控制器之间的连线。之间的连线。之间的连线。之间的连线。将程序机器代码利用控制台指令写入内存。根据程将程序机器代码利用控制台指令写入内存。根据程将程序机器代码利用控制台指令写入内存。根据程将程序机器代码利用控制台指令写入内存。根据程序的需要设置通用寄存器堆中相关寄存器的数据。序的需要设置通用寄存器堆中相关寄存器的数据。序的需要设置通用寄存器堆中相关寄存器的数据。序的需要设置通用寄存器堆中相关寄存器的数据。单拍方式执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器单拍方式执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器单拍方式执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器单拍方式执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器存储单元数据，与理论值比较分析。存储单元数据，与理论值比较分析。存储单元数据，与理论值比较分析。存储单元数据，与理论值比较分析。连续方式再次执行一遍程序，记录相关寄存器和存连续方式再次执行一遍程序，记录相关寄存器和存连续方式再次执行一遍程序，记录相关寄存器和存连续方式再次执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器存储单元数据，与理论值比较分析。储器存储单元数据，与理论值比较分析。储器存储单元数据，与理论值比较分析。储器存储单元数据，与理论值比较分析。TEC-54 4指令功能与格式指令功能与格式:8条机器指令，单字长（条机器指令，单字长（8位）位）名称名称名称名称助记符助记符助记符助记符功能功能功能功能指令格式指令格式指令格式指令格式IR7IR6IR5IR4IR7IR6IR5IR4IR3 IR2IR3 IR2IR1 IR0IR1 IR0加法加法加法加法ADD RdADD Rd，RsRsRd+RsRd+RsRdRd0 0 0 00 0 0 0RS1 RS0RS1 RS0RD1 RD0RD1 RD0减法减法减法减法SUB RdSUB Rd，RsRsRd-Rs Rd-Rs RdRd0 0 0 10 0 0 1RS1 RS0RS1 RS0RD1 RD0RD1 RD0逻辑与逻辑与逻辑与逻辑与AND RdAND Rd，RsRsRdRd&Rs Rs RdRd0 0 1 00 0 1 0RS1 RS0RS1 RS0RD1 RD0RD1 RD0存数存数存数存数STA Rd,Rs STA Rd,Rs Rd Rd RsRs0 0 1 10 0 1 1RS1 RS0RS1 RS0RD1 RD0RD1 RD0取数取数取数取数LDA Rd,RsLDA Rd,RsRsRsRd Rd 0 1 0 00 1 0 0RS1 RS0RS1 RS0RD1 RD0RD1 RD0条件条件条件条件转移转移转移转移JC R3JC R3C=1 C=1 则则则则R3 R3 PC PC 0 1 0 10 1 0 11 11 1 停机停机停机停机STPSTP暂停执行暂停执行暂停执行暂停执行0 1 1 00 1 1 0 输出输出输出输出OUT RsOUT RsRsRsDBUSDBUS0 1 1 10 1 1 1RS1 RS0RS1 RS0 TEC-55 5 控制台工作方式控制台工作方式 （SWCSWC、SWBSWB、SWASWA为控制台指令的定义开关）为控制台指令的定义开关）为控制台指令的定义开关）为控制台指令的定义开关）SWC SWB SWA操作操作000启动程序启动程序（PR）001写存储器写存储器（WRM）010读存储器读存储器（RRM）011写寄存器写寄存器（WRF）100读寄存器读寄存器（RRF）TEC-56 6SWC SWB SWASWC SWB SWA P(0)P(0)SWSWDBUSDBUSDBUSDBUSARARDBUSDBUSPCPCTJTJSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSRAMRAMRAMRAMIBUSIBUSRsRsDBUSDBUSTJTJSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSARARDBUSDBUSPCPCTJTJSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSARARSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSARARTJTJSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSPCPCSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSRAMRAMRAMRAMIBUSIBUSTJTJSWSWDBUSDBUSDBUSDBUSRiRiTJTJRAMRAMDBUSDBUSTJTJAR+1AR+1SWSWDBUSDBUSDBUSDBUSRAMRAMAR+1AR+1TJTJ00000C0C1E1E0808060607070B0B1D1D0D0D0E0E0A0A0 02030302021E1E1D1D040405050404090908080F0FRRFRRF（100100）WRFWRF（011011）WRMWRM（001001）PRPR（000000）RRM RRM（010010）KTKT控制台指令微程序流程图控制台指令微程序流程图控制台指令微程序流程图控制台指令微程序流程图TEC-57 7RAMRAMIBUSIBUSIBUSIBUSIRIRRsRsDBUSDBUSPC+1PC+1TJTJPC+1PC+1TJTJPC+1PC+1RsRsDBUSDBUSDBUSDBUSARARRsRsDBUSDBUSDBUSDBUSARARRdRdDRDR1 1RdRdDRDR1 1RsRsDRDR2 2RdRdDRDR1 1RsRsDRDR2 2RdRdDRDR1 1RsRsDRDR2 2P(1)P(1)ADDADD ALU ALUDBUS DBUS DBUSDBUSRdRdPC+1PC+1SUBSUB ALU ALUDBUSDBUSDBUSDBUSRdRdPC+1PC+1ANDAND ALU ALUDBUSDBUSDBUSDBUSRdRdPC+1PC+1DR1DR1ALUALUALUALUDBUSDBUSDBUSDBUSRAMRAMPC+1PC+1RAMRAMDBUSDBUSDBUSDBUSRdRdPC+1PC+1R3R3DBUSDBUSDBUSDBUSPCPC0F0F1010101018181111191912121A1A131314141B1B1C1C1515161617171F1F0F0F0F0FC=0C=0C=1C=1ADDADD（00000000）JCJC（0100101 1）ANDAND（00001010）STASTA（0010011 1）LDALDA（01010000）SUBSUB（00000101）STPSTP（0110110 0）OUT OUT （01110111）机器指令微程序流程图机器指令微程序流程图机器指令微程序流程图机器指令微程序流程图P(2)P(2)TEC-58 8控制台操作微程序流程举例控制台操作微程序流程举例写存储器写存储器(WRM)：按下复位按钮：按下复位按钮CRL#，置，置SWC=0，SWB=0，SWA=1。在在SW7SW0中设置存储器地址，采用单拍或连中设置存储器地址，采用单拍或连续方式，按续方式，按QD按钮将此地址打入按钮将此地址打入AR，注意，注意观察观察AR指示灯。指示灯。在在SW7SW0置好数据，置好数据，按按QD按钮，将数据写入按钮，将数据写入AR指定的存储器单指定的存储器单元，这时元，这时AR加加1。返回返回。依次进行下去，。依次进行下去，直到按复位按钮直到按复位按钮CRL#为止。实现对为止。实现对RAM的的手动写入。每一控制台指令操作完毕手动写入。每一控制台指令操作完毕应使系应使系统复位，然后转换控制台指令。统复位，然后转换控制台指令。演示演示TEC-59 9控制台操作微程序流程举例控制台操作微程序流程举例启动程序启动程序(PR)：按下复位按钮：按下复位按钮CRL#后，微地后，微地址寄存器清零。置址寄存器清零。置SWC=0，SWB=0，SWA=0，用数据开关，用数据开关SW7SW0设置设置RAM中中的程序首地址，采用单拍或连续方式，按的程序首地址，采用单拍或连续方式，按QD按钮后，启动程序执行。按钮后，启动程序执行。对照微程序流程图，监测微地址指示灯和判对照微程序流程图，监测微地址指示灯和判别字段指示灯，以判别正在进行的微操作。别字段指示灯，以判别正在进行的微操作。注意观察注意观察PC和和IR指示灯，以判断程序的执行指示灯，以判断程序的执行情况，直至程序执行完毕。情况，直至程序执行完毕。TEC-51010实验程序实验程序内存地址内存地址内存地址内存地址机器指令机器指令机器指令机器指令机器代码机器代码机器代码机器代码00H00HADD R1,R0ADD R1,R001H01HJC R3JC R302H02HSTA R1,R2STA R1,R203H03HLDA R2,R2LDA R2,R204H04HAND R2,R0AND R2,R005H05HSUB R2,R3SUB R2,R306H06HOUT R2OUT R207H07HSTPSTPTEC-51111实验程序相关数据实验程序相关数据第一组数据：第一组数据：第一组数据：第一组数据：预置寄存器预置寄存器预置寄存器预置寄存器R0=35HR0=35H，R1=43HR1=43H，R2=10HR2=10H，R3=07HR3=07H；存储器存储单元内容：；存储器存储单元内容：；存储器存储单元内容：；存储器存储单元内容：10H=55H10H=55H。第二组数据：第二组数据：第二组数据：第二组数据：预置寄存器预置寄存器预置寄存器预置寄存器R0=86HR0=86H，R1=88HR1=88H，R2=10HR2=10H，R3=07HR3=07H；存储器存储单元；存储器存储单元；存储器存储单元；存储器存储单元10H=55H10H=55H。TEC-51212模型机连线示意图模型机连线示意图控制台控制台时序发生器时序发生器数据通路数据通路微程序控制器微程序控制器微程序控制器微程序控制器指令代码指令代码指令代码指令代码 条件信号条件信号条件信号条件信号 IR7IR4 CIR7IR4 C时序信号时序信号时序信号时序信号T1T3T1T3开关控制开关控制开关控制开关控制SWC SWC SWB SWB SWASWA开关控制开关控制开关控制开关控制 DP DB QD CLR#DP DB QD CLR#微指令控制字段微指令控制字段微指令控制字段微指令控制字段控制信号控制信号控制信号控制信号 TJTJ时序信号时序信号时序信号时序信号 T1T1指示灯指示灯指示灯指示灯信号信号信号信号P P0 0PP2 2IR3IR2RS1RS0IR3IR2RS1RS0IR1IR0RD1RD0IR1IR0RD1RD0 WR1WR0 WR1WR0TEC-51313CPU组成与机器指令执行实验接线参考：组成与机器指令执行实验接线参考：控制控制控制控制器器器器LDIRLDIRPC+1PC+1LDPC#LDPC#AR+1AR+1LDAR#LDAR#LDDR1LDDR1LDDR2LDDR2数据数据数据数据通路通路通路通路LDIRLDIRPC+1PC+1LDPC#LDPC#AR+1AR+1LDAR#LDAR#LDDR1LDDR1LDDR2LDDR2控制控制控制控制器器器器LDRiLDRiSW_SW_BUS#BUS#RS_RS_BUS#BUS#ALU_ALU_BUS#BUS#RAM_RAM_BUS#BUS#CER#CER#CEL#CEL#数据数据数据数据通路通路通路通路LDRiLDRiSW_SW_BUS#BUS#RS_RS_BUS#BUS#ALU_ALU_BUS#BUS#RAM_RAM_BUS#BUS#CER#CER#CEL#CEL#控制控制控制控制器器器器LR/W#LR/W#Cn#Cn#MMS0S0S1S1S2S2S3S3数据数据数据数据通路通路通路通路LR/W#LR/W#Cn#Cn#MMS0S0S1S1S2S2S3S3TEC-51414CPU组成与机器指令执行实验接线参考组成与机器指令执行实验接线参考控制器控制器控制器控制器进位进位进位进位C CIR7IR7IR6IR6IR5IR5IR4IR4数据通路数据通路数据通路数据通路进位进位进位进位C CIR7IR7IR6IR6IR5IR5IR4IR4数据通路数据通路数据通路数据通路IR3IR3IR2IR2IR1IR1IR0IR0IR1IR1IR0IR0数据通路数据通路数据通路数据通路RS1RS1RS0RS0RD1RD1RD0RD0WR1WR1WR0WR0控制器控制器控制器控制器TJTJ时序电路时序电路时序电路时序电路TJTJTEC-51515CPU组成与机器指令执行实验接线参考组成与机器指令执行实验接线参考只要把上表同列的信号用线连接即可只要把上表同列的信号用线连接即可,一共一共接线接线33条。条。接好线后接好线后,将编程开关拨到将编程开关拨到“正常位置正常位置”,”,合上电源合上电源,按按CLR#按钮按钮,使使TEC-5实验系统实验系统处于初始状态。处于初始状态。注意：注意：IR1 IR0将是写通用寄存器时寄存器将是写通用寄存器时寄存器的选择信号；的选择信号；IR3 IR2将是读通用寄存器时将是读通用寄存器时寄存器的选择信号。寄存器的选择信号。TEC-51616实验要求实验要求 做好实验预习。做好实验预习。做好实验预习。做好实验预习。根据实验任务所提要求，在预习时完成相关表格填根据实验任务所提要求，在预习时完成相关表格填根据实验任务所提要求，在预习时完成相关表格填根据实验任务所提要求，在预习时完成相关表格填写、数据和理论分析。以便与实验值对照写、数据和理论分析。以便与实验值对照写、数据和理论分析。以便与实验值对照写、数据和理论分析。以便与实验值对照 。接线较多，务必仔细。接线较多，务必仔细。接线较多，务必仔细。接线较多，务必仔细。写出实验报告，内容：写出实验报告，内容：写出实验报告，内容：写出实验报告，内容：实验目的实验目的实验目的实验目的记录程序数据表格。记录程序数据表格。记录程序数据表格。记录程序数据表格。分析程序执行过程中出现的异常情况和值得讨论的分析程序执行过程中出现的异常情况和值得讨论的分析程序执行过程中出现的异常情况和值得讨论的分析程序执行过程中出现的异常情况和值得讨论的其它问题。其它问题。其它问题。其它问题。课程实验总结。课程实验总结。课程实验总结。课程实验总结。TEC-51717RAMRAM地址地址地址地址程序程序程序程序机器码机器码机器码机器码RAMRAM地址地址地址地址数据数据数据数据00H00HLDA R0LDA R0，R2R248H48H60H60H24H24H01H01HLDA R1LDA R1，R3R34DH4DH61H61H83H83H02H02HADD R0ADD R0，R1R104H04H寄存器寄存器寄存器寄存器数据数据数据数据03H03HJC R2JC R258H58HR2R260H60H04H04HAND R1AND R1，R0R021H21HR3R361H61H05H 05H SUB R0SUB R0，R3R31CH1CH运算结果运算结果运算结果运算结果数据数据数据数据06H06HSTA R0STA R0，R1R134H34HR0R046H46H07H07HOUT R0OUT R070H70HR1R183H83H08H08HOUT R1OUT R174H74HR2R2，R3 R3 不变不变不变不变09H09HSTPSTP60H60HRAM83HRAM83H46H46HTEC-51818实验总结实验总结CPUCPU的基本功能：程序的顺序执行、管理控制操作、的基本功能：程序的顺序执行、管理控制操作、的基本功能：程序的顺序执行、管理控制操作、的基本功能：程序的顺序执行、管理控制操作、操作和执行定时、数据加工等。操作和执行定时、数据加工等。操作和执行定时、数据加工等。操作和执行定时、数据加工等。控制器：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时控制器：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时控制器：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时控制器：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时序发生器，操作控制器等，取指、译码产生控制信号，序发生器，操作控制器等，取指、译码产生控制信号，序发生器，操作控制器等，取指、译码产生控制信号，序发生器，操作控制器等，取指、译码产生控制信号，控制控制控制控制CPUCPU、内存，输入、内存，输入、内存，输入、内存，输入/输出之间的数据传输。输出之间的数据传输。输出之间的数据传输。输出之间的数据传输。运算器：算数逻辑单元运算器：算数逻辑单元运算器：算数逻辑单元运算器：算数逻辑单元ALUALU，累加器，累加器，累加器，累加器ACAC，数据缓冲寄，数据缓冲寄，数据缓冲寄，数据缓冲寄存器存器存器存器DRDR，状态条件寄存器，状态条件寄存器，状态条件寄存器，状态条件寄存器PSWPSW等，数据等，数据等，数据等，数据加工，算数加工，算数加工，算数加工，算数逻辑运算，产生运算结果或逻辑判断。逻辑运算，产生运算结果或逻辑判断。逻辑运算，产生运算结果或逻辑判断。逻辑运算，产生运算结果或逻辑判断。从内存取指到执行指令结束，一条机器指令对应一个从内存取指到执行指令结束，一条机器指令对应一个从内存取指到执行指令结束，一条机器指令对应一个从内存取指到执行指令结束，一条机器指令对应一个微程序。一个机器指令周期由几个微指令周期组成。微程序。一个机器指令周期由几个微指令周期组成。微程序。一个机器指令周期由几个微指令周期组成。微程序。一个机器指令周期由几个微指令周期组成。控制部件和执行部件构成计算机的两大部分。控制部件和执行部件构成计算机的两大部分。控制部件和执行部件构成计算机的两大部分。控制部件和执行部件构成计算机的两大部分。TEC-51919结结 束束参考资料：参考资料：参考资料：参考资料：计算机组成原理题解题库与实验计算机组成原理题解题库与实验计算机组成原理题解题库与实验计算机组成原理题解题库与实验 白中英白中英白中英白中英 杨春武杨春武杨春武杨春武 主编主编主编主编 科学出版社科学出版社科学出版社科学出版社计算机硬件基础课实验教程计算机硬件基础课实验教程计算机硬件基础课实验教程计算机硬件基础课实验教程 白中英白中英白中英白中英 杨春武杨春武杨春武杨春武 冯一兵冯一兵冯一兵冯一兵 主编主编主编主编 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社TEC-5TEC-5计算机组成原理实验指导书计算机组成原理实验指导书计算机组成原理实验指导书计算机组成原理实验指导书 清华大学科教仪器厂清华大学科教仪器厂清华大学科教仪器厂清华大学科教仪器厂TEC-52020谢谢！谢谢！TEC-52121