实验六：复杂模型机的设计与实现论文毕业文章_论文-毕业文章.pdf

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1、 实验五复杂模型机的设计与实现 一、实验目的 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。二、实验设备 Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。三、数据格式及指令系统 1.数据格式 模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为 8 位，其格式如下：7 6543210 符号 尾 数 其中第 7 位为符号位，数值表示范围是：-1 X 1。2.指令格式 模型机设计四大类指令共 16 条，其中包括算术逻辑指令、I/O 指令、访问及转移指令和停机指 令。算术逻辑指令 设计 9 条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：7654 32 10

2、 OP-CODE Rs Rd 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 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 其中 R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH 9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表 5-1。访问指令及转移指令 模型机设计 2 条访问指令，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：7 6 54 32 10 0 0 M 2OP-CODERd D（低八）D（高八）其中“00M”为源码段，2OP-CODE 为目的码段

3、（LDA、STA 指令使用）。D 为十六位地址段（低八在前，高八随后），M 为源寻址模式，其定义如下：寻址模式 M 有效地址 E 说明 00 E=D 直接寻址 01 E=(D)间接寻址 10 E=(SP)+D SP 变址寻址 11 E=(PC)+D 相对寻址 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：7654 32 10 OP-CODE 00 Rd 停机指令 指令格式如下：7654 32 10 OP-CODE 00 00 HALT 指令，用于实现停机操作。3.指令系统 本模型机共有 16 条基本指令，其中算术逻辑指令 9 条，访问内存指令和程序控制指令 4 条，

4、输 入输出指令 2 条，其它指令 1 条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表 5-1 助记符 指令格式 功 能 LDAM,D,Rd 0 0 M 00 Rd ERd STAM,D,Rd 0 0 M 01 Rd RdE JMPM,D 0 0 M 10 00 EPC BZCM,D 0 0 M 11 00 当 CY=1 或 Z=1 时，EPC MOVRd,Rs 0 1 0 0 Rs Rd RsRd ADCRd,Rs 0 1 0 1 Rs Rd Rs+Rd+CYRd SBCRd,Rs 0 1 1 0 Rs Rd Rs-Rd-CYRd ANDRd,Rs 0 1 1 1 Rs Rd RsRdR

5、d CLRRd 1 0 0 0 00 Rd 0Rd INCRd 1 0 0 1 00 Rd Rd+1 Rd CPLRd 1 0 1 0 00 Rd RdRd RRCRd 1 0 1 1 00 Rd CYRd RLCRd 1 1 0 0 00 Rd CYRd IN Rd,I/O 1 1 0 1 00 Rd I/O Rd OUTRd,I/O 1 1 1 0 00 Rd Rd I/O HALT 1 1 1 1 00 00 停机 图 5-1 复杂模型机微程序流程图 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，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。M23 M22 M

6、21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 E/M IP MWRR/M 目的编码 OPM CNS2S1 S0 源编码 XP W ALU Iu IE IR Icz Ids 源编码 目的编码 M10 M9 M8 功能 M19 M18 M17 功能 X2 X1 X0 O2 O1 O0 1 1 1 禁止 1 1 1 禁止 1 1 0 ALU 1 1 0 MAR 1 0 1 SP 1 0 1 BX 1 0 0 IOR 1 0 0 AX 0 1 1 MRD 0 1 1 SP 备计算机组成原理教学实

7、验系统一台实验用导线若干三数据格式及指令系统数据格式模型机规定采用定点补码表示数据且字长为位其格式如下符号尾数其中第位为符号位数值表示范围是指令格式模型机设计四大类指令共令算术逻辑访问及转移指令和停机指其中为操作码为源寄存器为目的寄存器并规定或选定的寄存器其中条算术逻辑指令的名称功能和具体格式见表访问指令及转移指令模型机设计条访问指令即存数取数条转移指令即无条件转移果为零或有进位其定义如下寻址模式有效地址说明直接寻址间接寻址变址寻址相对寻址指令输入和输出指令采用单字节指令其格式如下停机指令指令格式如下指令用于实现停机操作指令系统本模型机共有条基本指令其中算术逻辑指令条访问内存指 0 1 0 X

8、RD 0 1 0 IOW 0 0 1 RRD 0 0 1 XWR 0 0 0 PC 0 0 0 RWR 实验所用的机器指令程序：地址 指令代码 助记符 功能 000 D0 INR0 IOLR0 001 D2 INR2 IOLR2 002 58 ADCR0,R2 R0+R2 R0 003 41 MOVR1,R0 R0 R1 004 C0 RLCR0 RLCR0 005 0C0000 BZC000H BZC000H 008 F0 HALT 停机 四、实验方法 键盘操作 首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控在线”。在待命状态 0 下按【减址】键，LCD 显示器显示工作模式选项：

9、Dais-CMX16+XXX KLDPLD 选择手动模式 按【增址】键，将光标移到“MUD”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使 用搭接方式，按【增址】键选择“y”（搭接）或“n”（在线），按【减址】键确定：Dais-CMX16+mud Dais-CMX16+mud lst/nI/Oy/n lsty/I/Oy/n 是，选择搭接方式，须连线 否，选择在线方式，零连线 接着系统询问用户是否使用扩展 I/O 方式，按【增址】键选择“y”（扩展 I/O）或“n”（微 控制器关联），按【减址】键确定：Dais-CMX16+mud Dais-CMX16+mud lsty/nI/O/n ls

10、ty/nI/Oy/是，扩展 I/O 方式 否，选择微控制器关联方式 确定设置后，系统返回待命状态 0。Dais-CMX16+mud 设置完毕，返回待命状态 机器程序与对应的微控制程序的写入：在待令状态下，键入数字键“4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。运行程序 单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”微 周期它的节拍按 T1 T3 T4 T1T2 T3T4 次序循环，在取指微周期按 次序循环。备计算机组成原理教学实验系统一台实验用导线若干三数据格式及指令系统数据格式

11、模型机规定采用定点补码表示数据且字长为位其格式如下符号尾数其中第位为符号位数值表示范围是指令格式模型机设计四大类指令共令算术逻辑访问及转移指令和停机指其中为操作码为源寄存器为目的寄存器并规定或选定的寄存器其中条算术逻辑指令的名称功能和具体格式见表访问指令及转移指令模型机设计条访问指令即存数取数条转移指令即无条件转移果为零或有进位其定义如下寻址模式有效地址说明直接寻址间接寻址变址寻址相对寻址指令输入和输出指令采用单字节指令其格式如下停机指令指令格式如下指令用于实现停机操作指令系统本模型机共有条基本指令其中算术逻辑指令条访问内存指 微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察

12、微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。宏运行 （指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察 PC 地址是否和流程一致。程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。联机运行 双击桌面“Dais-CMX 集成开发环境”图标进入联机模式 在联机状态下，首先应打开（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载，如源程序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：单节拍：单击

13、菜单“运行单拍运行微指令”命令或单击工具栏“单拍”按钮，以单节拍方式按 T1T4 顺序逐步运行微程序。单周期：单击菜单“运行单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，以单周期（T1T4 为一个机器周期）方式逐步运行微程序。应用级调试 在机器指令的层面进行逐步调试，面向应用程序，帮助用户了解机器指令的执行结果。单步机器指令：单击菜单“运行单步运行机器指令”命令或单击工具栏“单步”按 钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇 CALL 调用时跟踪进入。宏单步机器指令：单击菜单“运行宏单步运行机器指令”命令或单击工具栏“宏单 步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇 CALL 调用时跨越执行。全速运

14、行 单击菜单“运行全速运行”命令或单击工具栏“运行”按钮，忽略实现细节，以全速方式运行机器指令、微指令，用来验证应用程序的运行结果。暂停与复位 暂停：当实验系统进入全速运行、自动单步等状态时，可随时单击菜单“运行暂停”命令或 单击工具栏“暂停”按钮，使实验系统暂停当前运行的程序，并展现暂停后的模型机现场，帮助用户观察各部件的状态。复位：在待命状态下，单击菜单“运行复位”命令或单击工具栏“复位”按钮，可对模型机进行复位操作，初始化所有寄存器和标志位。注：复位操作不会破坏程序存储器、微程序存储器的内容。表 5-2 复杂模型机微指令表 M23M22M21M20M19M18M17M16 M15M14M

15、13M12M11M10M9M8 M7M6M5M4M3 M2M1M0 微址 代码 M CNS2 S2 S0 X2 X1 X0 代码 XP W ALUIu IE IR IczIds 代码后续微址 说明 E/MIP MWRR/Mo2 o1 o0 OP 000 1 1 1 1 1 1 1 1 FF 1 1 1 1 1 1 1 1 FF 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 空操作 001 1 0 1 1 1 1 1 1 BF 1 1 1 1 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 可变 IBUS IR 400 0 1 1 1 0 0 0 1 71 1 1 1 1 1 0 1 1

16、 FB 1 1 1 0 1 1 0 1 ED 001 EMRD 408 0 1 0 1 1 1 1 1 5F 1 1 1 1 1 0 0 1 FB 1 1 1 0 1 1 0 1 ED 001 RDEM 410 0 0 1 1 1 1 1 1 3F 1 1 0 0 0 1 1 0 C6 0 0 1 0 1 1 0 1 2D 001 BXPC 备计算机组成原理教学实验系统一台实验用导线若干三数据格式及指令系统数据格式模型机规定采用定点补码表示数据且字长为位其格式如下符号尾数其中第位为符号位数值表示范围是指令格式模型机设计四大类指令共令算术逻辑访问及转移指令和停机指其中为操作码为源寄存器为目的寄存

17、器并规定或选定的寄存器其中条算术逻辑指令的名称功能和具体格式见表访问指令及转移指令模型机设计条访问指令即存数取数条转移指令即无条件转移果为零或有进位其定义如下寻址模式有效地址说明直接寻址间接寻址变址寻址相对寻址指令输入和输出指令采用单字节指令其格式如下停机指令指令格式如下指令用于实现停机操作指令系统本模型机共有条基本指令其中算术逻辑指令条访问内存指 418 1 1 1 1 1 1 1 1 FF1100 0 1 1 0 FF 1 1 1 1 0 1 0 0 F4 420+CZ 条件变址 420 1 1 1 1 1 1 1 1 FF1111 1 1 1 1 FF 1 1 1 0 1 1 0 1 E

18、D 001 空操作 421 0 0 1 1 1 1 1 1 3F 1 1 0 0 0 1 1 0 C6 0 0 1 0 1 1 0 1 2D 001 BXPC 600 1 1 1 1 1 0 1 0 FA1111 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBL 601 1 0 1 1 1 0 1 1 BB1111 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBH 602 1 0 1 1 1 1 0 0 BC 1 1 0 0 0 1 1 0 C6 0 0 1 0 0 1 1 0 26 400+OP BXAR 620 1 1 1 1 1 0 1 0

19、 FA1111 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBL 621 1 0 1 1 1 0 1 1 BB1111 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBH 622 1 1 1 1 1 1 0 0 FC 1 1 0 0 0 1 1 0 C6 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 BXAR 623 0 1 1 1 1 0 1 0 7A 1 1 1 1 1 0 1 1 FB 0 0 1 0 1 1 1 1 2F 602 EMBX 640 1 1 1 1 1 0 1 0 FA1111 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1

20、 FF+1 EMBL 641 1 0 1 1 1 0 1 1 BB 1 1 1 1 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBH 642 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 1 0 1 FD 0 0 1 0 1 1 1 1 2F 663 RI AX 643 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 0 1 1 0 0 1 1 0 66 0 0 1 0 1 1 1 1 2F 602 A+BBX 微址 M23M22M21M20M19M18M17M16 M15M14M13M12M11M10M9M8 M7M6M5M4M3 M2M1M0 后续 说明 代码 M

21、 CNS2 S2 S0 X2 X1 X0 代码 XP W ALUIu IE IR IczIds 代码 E/MIP MWRR/Mo2 o1 o0 OP 微址 660 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 1 1 1 1 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBL 661 1 0 1 1 1 0 1 1 BB 1 1 1 1 1 0 1 1 FB 1 1 1 1 1 1 1 1 FF+1 EMBH 662 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 0 0 1 1 1 1 1 1 3F+1 PCAX 663 1 1 1 1 1 0 0

22、0 F8 1 1 1 1 0 1 1 0 F6 0 0 1 0 1 1 1 1 2F 643 AX-1 680 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 0 1 1 0 1 1 0 1 6D 001 RSRD 6A0 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 1 0 1 1 1 0 0 1 B9 0 1 0 1 1 1 1 1 5F+1 RSBL 6A1 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 6A2 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 0 1 0 0 0 1 1 0 46

23、0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 A+B+CRD 6C0 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 1 0 1 1 1 0 0 1 B9 0 1 0 1 1 1 1 1 5F+1 RSBL 6C1 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 6C2 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 0 1 0 0 1 1 1 0 4E 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 A-B-C RD 6E0 1 1 1 1 1 0 1 0 FA 1 0 1 1 1 0 0 1 B9 0 1 0 1 1 1 1 1 5

24、F+1 RSBL 6E1 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 6E2 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 1 1 1 0 1 1 1 0 EE 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 A&B RD 700 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 1 1 0 1 1 1 1 0 DE 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 0 RD 720 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 721 1 1 1 1 0

25、 0 0 1 F1 1 1 1 1 0 1 1 0 F6 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 A+1RD 740 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 741 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 1 1 0 0 1 1 1 0 CE 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 A 取反 RD 760 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 761 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 0 1 0 1 1

26、1 1 0 5E 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 AC 右移 RD 780 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1 0 1 1 1 1 1 DF+1 RDAL 781 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 0 1 0 1 0 1 1 0 56 0 1 0 0 1 1 0 1 4D 001 AC 左移 RD 7A0 1 1 1 1 0 0 0 1 F1 1 1 1 1 1 1 0 0 FC 0 1 1 0 1 1 0 1 6D 001 I/O RD 7C0 1 1 1 1 0 1 0 1 F5 1 1 1 1 1 0 0 1 F9 1 1

27、 1 0 1 1 0 1 ED+1 RD I/O 备计算机组成原理教学实验系统一台实验用导线若干三数据格式及指令系统数据格式模型机规定采用定点补码表示数据且字长为位其格式如下符号尾数其中第位为符号位数值表示范围是指令格式模型机设计四大类指令共令算术逻辑访问及转移指令和停机指其中为操作码为源寄存器为目的寄存器并规定或选定的寄存器其中条算术逻辑指令的名称功能和具体格式见表访问指令及转移指令模型机设计条访问指令即存数取数条转移指令即无条件转移果为零或有进位其定义如下寻址模式有效地址说明直接寻址间接寻址变址寻址相对寻址指令输入和输出指令采用单字节指令其格式如下停机指令指令格式如下指令用于实现停机操作指

28、令系统本模型机共有条基本指令其中算术逻辑指令条访问内存指 7E0 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 1 1 1 1 1 0 0 0 F8 0 0 0 1 1 1 1 1 1F+1 PCAX 7E1 0 0 1 1 1 1 1 1 3F 1 1 0 1 0 1 1 0 D6 0 0 0 0 1 1 0 1 0D 001 A-1PC 五、实验报告 1.总结本次复杂模型机的机器指令类型。2.将实验时用到的那几条机器指令转化成对应的微指令。以单拍方式进行描述。3.自己设计 1 条机器指令，并设计这条机器指令对应的微指令。备计算机组成原理教学实验系统一台实验用导线若干三数据格式及指令系统数据格式模型机规定采用定点补码表示数据且字长为位其格式如下符号尾数其中第位为符号位数值表示范围是指令格式模型机设计四大类指令共令算术逻辑访问及转移指令和停机指其中为操作码为源寄存器为目的寄存器并规定或选定的寄存器其中条算术逻辑指令的名称功能和具体格式见表访问指令及转移指令模型机设计条访问指令即存数取数条转移指令即无条件转移果为零或有进位其定义如下寻址模式有效地址说明直接寻址间接寻址变址寻址相对寻址指令输入和输出指令采用单字节指令其格式如下停机指令指令格式如下指令用于实现停机操作指令系统本模型机共有条基本指令其中算术逻辑指令条访问内存指