2022年CPU与简单模型机设计实验.docx

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1、精品学习资源实验CPU 与简洁模型机设计试验试验时间2021年 11 月 7 日项目实1 把握一个简洁 CPU 的组成原理；验2 在把握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型电脑；目的3 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试把握整机概念；实验PC 机一台， TD-CMA试验系统一套设备实本试验要实现一个简洁的CPU ，并且在此 CPU 的基础上，连续构建一个简洁的模型电脑；验CPU 由运算器 ALU 、微程序把握器 MC 、通用寄存器R0，指令寄存器 IR 、程序原计数器 PC和地址寄存器AR 组成 ,如图 5-1-1 所示；这个 CPU 在写入相应的微指令后，就理具备

2、了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必需和主存挂接后， 才有实际的意义， 所以仍需要在该 CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简洁的模型电脑；图5-1-1 基本 CPU 构成原理图除了程序计数器PC，其余部件在前面的试验中都已用到，在此不再争辩；系统的程序计数器 PC和地址寄存器 AR 集成在一片 CPLD芯片中 ；CLR连接至 CON单元的总清端 CLR ， 按下 CLR按钮，将使 PC 清零， LDPC和T3 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 PC；如图 5-1-2 所示；欢迎下载

3、精品学习资源图5-1-2 程序计数器 PC 原理图本模型机和前面微程序把握器试验相比，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无条件转移， HLT 停机，其指令格式如下高位为操作码：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；微程序把握器试验的指令是通过手动给出的，现在要求 CPU 自动从储备器读取指令并执行；依据以上要求，设计数据通路图，如图是PC程序计数器，另一个是5-1-3 所示；本试验在前一个试验的基础上增加了三个部件，一AR 地址寄存器，仍有就是MEM 主存；因而在微指令中应增加相应的把握位

4、，其微指令格式如表5-1-1 所示；欢迎下载精品学习资源图5-1-3 数据通路图表 5-1-1 微指令格式系统涉及到的微程序流程见图5-1-4 所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为 P 测试；指令译码原理见图3-2-3 所示，由于“取指”微指令是全部微程序都使用的公用微指令，因此P 的测试结果显现多路分支；本机用指令寄存器的高6 位 IR7 IR2 作为测试条件，显现路分支，占用个固定微地址单元，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任凭填写，微程序流程图上的单元地址为16 进制；欢迎下载精品学习资源图5-1-4 简洁模型机微程序流程图当全部微程序设计完毕后，应

5、将每条微指令代码化，表5-1-2 即为将图 5-1-4 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”；表5-1-2 二进制微代码表设计一段机器程序，要求从IN单元读入一个数据，存于R0 ，将 R0 和自身相加，结果存于欢迎下载精品学习资源R0，再将 R0 的值送 OUT单元显示；依据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数；1. 按图 5-1-5 连接试验线路；2. 写入试验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入；1) 手动写入和校验(1) 手动写入微程序 将时序与操作台单元的开关KK1置为停止档，KK3置为编程档， KK4置为控存档， KK5置为置数档；实 使用 CO

6、N单元的 SD05 SD00 给出微地址， IN单元给出低 8 位应写入的数据，连续验两次按动时序与操作台的开关ST，将 IN单元的数据写到该单元的低8 位；步骤 将时序与操作台单元的开关KK5置为加 1档； IN单元给出中 8 位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将 IN单元的数据写到该单元的中 8 位； IN单元给出高 8 位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将 IN单元的数据写到该单元的高8 位； 重复、四步，将表5-1-2 的微代码写入 2816 芯片中；(2) 手动校验微程序 将时序与操作台单元的开关KK1置为停止档，KK3置为校验档， KK4置为控欢

7、迎下载精品学习资源存档， KK5置为置数档； 使用 CON单元的 SD05 SD00 给出微地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST， MC单元的指数据指示灯M7 M0显示该单元的低 8 位； 将时序与操作台单元的开关KK5置为加 1档； 连续两次按动时序与操作台的开关ST， MC单元的指数据指示灯M15 M8显示该单元的中 8 位， MC单元的指数据指示灯M23 M16显示该单元的高 8 位； 重复、四步，完成对微代码的校验；假如校验出微代码写入错误，重新写入、校验，直至确认微指令的输入无误为止；(3) 手动写入机器程序 将时序与操作台单元的开关KK1置为停止档，KK3置为编程档， KK4置

8、为主存档， KK5置为置数档； 使用 CON单元的 SD07 SD00 给出地址， IN单元给出该单元应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该储备器单元； 将时序与操作台单元的开关KK5置为加 1档； IN单元给出下一地址地址自动加1应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将 IN单元的数据写到该单元中；然后地址会又自加1，只需在 IN单元输入后续地址的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，即可完成对该单元的写入； 亦可重复、两步，将全部机器指令写入主存芯片中；(4) 手动校验机器程序将时序与操作台单元的开关KK1置为停止档，KK3置为校验档，KK

9、4置为主存档， KK5置为置数档； 使用 CON单元的 SD07 SD00 给出地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST， CPU内总线的指数据指示灯D7 D0 显示该单元的数据； 将时序与操作台单元的开关KK5置为加 1档； 连续两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加 1，CPU 内总线的指数据指示灯D7欢迎下载精品学习资源 D0显示该单元的数据；此后每两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加 1， CPU 内总线的指数据指示灯D7 D0显示该单元的数据，连续进行该操作，直至完成校验，如发觉错误，就返回写入，然后校验，直至确认输入的全部指令精确无误； 亦可重复、两步，完成对指令码的校验

10、；假如校验出指令码写入错误，重新写入、校验，直至确认指令码的输入无误为止；2) 联机写入和校验联机软件供应了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：本次试验程序如下，程序中分号；为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽视掉：欢迎下载精品学习资源选择联机软件的“【转储】【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所储存的文件， 软件自动将机器程序和微程序写入指定单元；选择联机软件的“【转储】【刷新指令区】”可以读出下位机全部的机器指令和微指令， 并在指令区显示，对比文件检查微程序和机器程序是

11、否正确，假如不正确，就说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的微存TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框， 输入 6 位数据并回车，编辑框消逝，并以红色显示写入的数据；3. 运行程序方法一：本机运行将时序与操作台单元的开关 KK1 、KK3 置为运行档，按动 CON 单元的总清按钮 CLR ， 将使程序计数器 PC、地址寄存器 AR 和微程序地址为 00H ，程序可以从头开头运行，暂存器 A 、B，指令寄存器 IR 和OUT 单元也会被清零；将时序与操作台单元的开关KK2置为单步档，每按动一次ST 按

12、钮，即可单步运行一条微指令，对比微程序流程图，观看微地址显示灯是否和流程一样；每运行完一条微指令，观测一次 CPU 内总线和地址总线， 对比数据通路图， 分析总线上的数据是否正确；当模型机执行完JMP 指令后，检查 OUT单元显示的数是否为 IN单元值的 2 倍，按下 CON 单元的总清按钮 CLR ， 转变 IN单元的值，再次执行机器程序，从OUT单元显示的数判别程序执行是否正确；方法二：联机运行欢迎下载精品学习资源将时序与操作台单元的开关KK1和KK3置为运行档，进入软件界面，选择菜单命令“【试验】【简洁模型机】”，打开简洁模型机数据通路图；按动CON单元的总清按钮 CLR ， 然后通过软

13、件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP 指令后， 检查 OUT单元显示的数是否为 IN单元值的 2 倍；在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一样；图5-1-5 试验接线图欢迎下载精品学习资源输入数据助记符机器指令代码结果备注实00010001IN00100000R0=11从 IN 单元读入数据到 R0 中验结ADD00000000R0=22R0 和自身相加结果送到R0 中果OUT00110000OUT=22把R0 的数据传送到OUT 单元显示JMP11100000跳转到 00H 地址HL

14、T01010000停机操作试验结果如下图：在IN单元中输入数据 00010001 ，使用 CON单元的 SD27 SD20 给出指令 IN 、ADD 、OUT 、TMP 、HLT 的数据 00100000、00000000、 00110000、11100000、01010000，连续按动时序与操作台的开关 ST，观看电脑中的数据通路图记录数据；结1 当 CON 单元输入指令代码00100000时，数据通路图中IN 中的数据传送到 R0 中， R0 中显果示R0=11，实现了从 IN单元读入数据传送到 R0中过程；分析2 当 CON 单元输入指令代码00000000时，数据通路图中A=11 、B

15、=11 通过 ALU 运算器实现自加后把结果传送给 R0 ， R0 中显示 R0=22，实现了 R0和自身相加结果送到 R0中的过程；3 当 CON单元输入指令代码00110000时，数据通路图中把R0 的数据传送到 OUT 中，OUT 显示 OUT=22，实现了把 R0 的数据传送到 OUT 单元显示；4当 CON单元输入指令代码11100000时，数据通路图强制跳转地址到00H ；5当 CON单元输入指令代码01010000时，实现停机操作；实本次试验和上次试验相比较仅仅多了一条转移地址指令，其他指令均和上次相同；虽然这次验试验有上一次的基础做的比较顺手，但在最终调试过程中照旧遇到了问题,铺张了很长时间， 导致心自己的成果并不太好；下次确定会再接再厉；得欢迎下载