模型機實驗報告

1、哈爾濱工程大學(xué)實 驗 報 告實驗名稱： 復(fù)雜模型機設(shè)計與實現(xiàn)班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 實驗時間： 成 績： 指導(dǎo)教師： 程旭輝 附小晶實驗室名稱： 計算機專業(yè)實驗中心一、 實驗名稱： 復(fù)雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)二、 實驗?zāi)康模?綜合運用所學(xué)計算機原理知識，設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的計算機。2設(shè)計指令系統(tǒng)。3編寫簡單程序，在所設(shè)計的復(fù)雜模型計算機上調(diào)試運行。三、實驗設(shè)備： GW-48CPP系列計算機組成原理實驗系統(tǒng)。四、實驗原理：1數(shù)據(jù)格式模型機采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為8位，其格式如下：7符號尾數(shù)其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-11。2指令格式所設(shè)計的指令分為四大類共十六條，其中包括算

2、術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪問、轉(zhuǎn)移指令和停機指令。（1）算術(shù)邏輯指令設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，采用寄存器直接尋址方式，其格式如下： 7654 3210OP-CODErsrd其中，OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：Rs或rd選定的寄存器000110R0R1R2（2）訪問指令及轉(zhuǎn)移指令訪問指令有2條，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA）；2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：7654321000MOP-CODErdD其中，OP-CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（用于LDA、STA指令）。D為位移量（正負均可

3、），M為尋址模式，其定義如下：尋址模式M有效地址E說明00011011E=DE=（D）E=（RI）+DE=（PC）+D直接尋址間接尋址RI變址尋址相對尋址在本模型機中規(guī)定變址寄存器RI為寄存器R2。（3）I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：76543210OP-CODEaddrrd其中，addr=01時選中“INPUT DEVICE”中的鍵盤輸入設(shè)備，addr=10時，選中“OUTPUT DEVICE”中的LCD點陣液晶屏作為輸出設(shè)備。（4）停機指令指令格式如下：76543210OP-CODE00003指令系統(tǒng)共有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令7條，訪問內(nèi)存

4、指令和程序控制指令4條，輸入/輸出指令2條，其他指令1條。各條指令的格式、匯編符號、功能如表7-1所示。助記符號指令格式功能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 rs00M

5、01rdDrd E00M10rdDE PC00M11rdD當CY=1或Z=1時，E PCIN addr，rdOUT addr，rd010001rdaddr rd010110rdrd addrHALT01100000停機本模型機的數(shù)據(jù)通路框圖如圖7-1。根據(jù)機器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定微地址，如圖7-2。圖7-2 微程序流程圖五、實驗內(nèi)容：按照系統(tǒng)建議的微指令格式，參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，并將二進制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機操作時的十六進制格式文件。微代碼定義如表7-1所示。2423222120191817169 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9

6、A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0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$M1B 01a432$M

7、1C 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

8、$M3E $M3F 六、實驗框圖設(shè)計：模型機設(shè)計主要是包括：控制器、存儲器、運算器、輸入、輸出。主要的設(shè)計是SE-5是根據(jù)FC,FZ,T4,P4.1,SWA,SWB,I7.2來控制輸出的SE1.6，控制地址的跳轉(zhuǎn)。當SE輸出0時Q輸出1，當SE輸出1時，Q輸出D；SE-5：（SE 6-1）：在波形圖中實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的時候，會出現(xiàn)如圖：剛開始對此變化不理解，自習(xí)觀察SE6-1時，SE6.1作為控制端，SE為1時Q輸出D，SE為0時Q輸出1，達到跳轉(zhuǎn)的功能，但是還隱含一個細節(jié)是：在SE有0的時候，SE不用T2的時鐘觸發(fā)，地址會直接會發(fā)生跳轉(zhuǎn)，所以會出現(xiàn)如圖微地址由20直接跳到31。1和3：移位寄存器：S

9、HEFT 和控制移位器的進位：說明：移位寄存器的M位有M20來控制，S1.0由M22.21來控制，控制進位由SHE_C0來控制，假設(shè)上次的移位器有進位，那么上次的SHEFT_CN輸出1，在控制移位器進位的器件上，當需要進位時，即：AR=1，（通過觀察微指令開看AR進位時才選中）那么會有進位，此時在下一次帶進位的移位時，SHE_C0=1;2.控制ALU進位的器件： 說明：在此器件中，AR為控制端，上次的進位溢出位FC連到D0上M19與Q非的或，連接到ALU_CN，當M19=1時表示不帶進位的運算，那么ALU_CN的結(jié)果肯定是1，在下次運算時肯定是不帶進位的運算。當M19=0，時，表示運算器運算是

10、帶進位的運算，若上次的運算FC=1，若選中AR則，表示本次的運算時帶進位的運算，則在T2周期時，Q=1，那么ALU_CN的輸出是0，將結(jié)果輸入到ALU的進位控制端，控制本次的進位運算。4通過編程控制可編碼寄存器的選擇：.內(nèi)部結(jié)構(gòu)：說明：這是通過兩個2-4譯碼器組合而成的選擇器，根據(jù)decoder_b產(chǎn)生的控制信號，并且在編程時編寫的I0I3指令來控制，RS,RD,RI.寄存器的選擇。為了方便起見，在實驗過程中用一一對應(yīng)的實現(xiàn)：R0RS;R1RD;R2RI;七、程序表設(shè)計：表7-2微指令格式121110選擇000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC

11、-B987選擇000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARA字段B字段C字段實驗程序如下：根據(jù)框圖的設(shè)計以及書中的指令系統(tǒng)功能表，在編碼的時候考慮到的情況主要是用指令指定哪個寄存器，以及在實現(xiàn)LDA，STA，JMP，BZC，是選用的哪種尋址方式，為了全面的測試框圖實現(xiàn)功能的正確性，在設(shè)計程序流程的時候所有的功能，以及所有的尋址方式都用到了，下面就是我設(shè)計的實驗程序：地址數(shù)據(jù)16進制表示助記符0041IN：SW-RD(27)0140IN:SW-R

12、S(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:將RS中的數(shù)循環(huán)左移0D59OUT:RD=LED0EF1RLC:將RS中的數(shù)循環(huán)右移0F59OUT:RD=LED1081MOV:RS-RD 1159OUT:RD=LED1242IN:SW=RI (存入的數(shù)：10H)1301LDA:RAM=RD141E把1E里

13、的數(shù)送到RD中1515STA:RD=RAM161F將RD中的數(shù)存到1F的地址中去172AJMP:1811在變址尋址中用到（10H+11H）193DBZC:1A03 沒有用到1B60HALT:停機指令1C00沒有用到1D00沒有用到1E0F在執(zhí)行LDA是會用到0F1F0F在執(zhí)行STA時會存到此地址2000在執(zhí)行LDA存到此位置21OUT讀出RD中的數(shù)222AJMP：跳回到斷點位置2309執(zhí)行JMP時用到此數(shù)將設(shè)計好的程序表寫入到內(nèi)存中，然后讀內(nèi)存，然后執(zhí)行程序。七、實驗過程分析：模型機過程分析：1. 首先在ROM中已經(jīng)存入了微代碼，這里，在實驗中發(fā)現(xiàn)35是錯誤的，正確的應(yīng)該是：01A426，這是

14、通過實驗驗證的。在SE-5的控制下，產(chǎn)生SE信號，控制微代碼的后六位是否發(fā)生改變，從而判定是否發(fā)生跳轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的微地址送到uaddr中，指示到下一條的指令。2. 每一條微代碼，通過decodera，decoderb，decoderc，decoder2-4產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，在觀察了四個器件的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，得出decodera選中的信號是輸出1，得出decoderb選中的信號是輸出0，得出decoderc選中的信號是輸出1，decoder2-4輸出0，這樣在結(jié)合74148優(yōu)先權(quán)編碼器后才能完整的控制總線以及相應(yīng)的輸出。3. reg_3是可編程寄存器，利用指令可以選用不同的寄存器，在此模型機自己設(shè)計

15、了一個DECODERREG部件通過，RD_B, RD_B, RD_B,以及I3-I0來控制選用相應(yīng)的寄存器。為了方便起見，在實驗過程中用一一對應(yīng)的實現(xiàn)：R0RS;R1RD;R2RI;4. 在微程序流程圖中在進行相對尋址時框圖47是錯誤的應(yīng)該是：PC BUS,BUSDR2;波形圖分析：1. 開始執(zhí)行程序，執(zhí)行指令是40，執(zhí)行的是IN指令，將27存入了指定的寄存器RD。說明：為編程方便用I0，I1，I2，I3，來控制選?。?. 此時指令是：40，將26存入RS：3.指令：A1：（RD-RS）=27-26=01，將結(jié)果存入RD中。4.將RD中的結(jié)果輸出到led中顯示：此時的指令是（OUT：59）。5

16、.執(zhí)行ADC（91）指令：（）（）存入中：.執(zhí)行OUT指令，將中的結(jié)果輸出：執(zhí)行INC指令，并將加的結(jié)果輸出到中：.執(zhí)行AND（C1）指令，(RD)AND(RS)=(28 AND26)=20,然后執(zhí)行OUT（59）指令，并將結(jié)果輸出到led中顯示：9.執(zhí)行COM取反指令，RD中的值是20取反后為DF，并執(zhí)行OUT指令后在led中顯示：10.執(zhí)行RRC指令，RS中值是26循環(huán)右移后的結(jié)果是13，并執(zhí)行OUT指令，在led中顯示：11.執(zhí)行RLC指令，將RS中的26循環(huán)左移后的結(jié)果是4C并將結(jié)果在led中顯示：12.執(zhí)行MOV指令(RS-RD)=26,并執(zhí)行OUT指令，在led中顯示：13.先執(zhí)行

17、IN指令(),將10存入到指定的RI寄存器中，然后執(zhí)行LDA指令，將指令中的0F存入到RD中。14.通過間接尋址方式執(zhí)行STA（15）存數(shù)指令，將RD中的0F存入到RAM中:15.通過變址尋址方式執(zhí)行JMP指令，跳到21執(zhí)行OUT指令，讀出LDA中RD中的數(shù)：16.執(zhí)行OUT指令，將RD中的數(shù)讀出來，然后執(zhí)行JMP指令跳回到斷點地址繼續(xù)執(zhí)行。17.通過相對尋址方式，執(zhí)行BZC指令：在PC 值為1A時將PC送到AR，此時RAM里的值是03H，并送入DR1，在執(zhí)行完微地址為23后，PC的值變?yōu)?B，將1BH送入DR2中，03H與1BH相加，相加后FC與FZ的值都不為1，所以在進行P（3）測試后跳到了44.八、實驗結(jié)果中遇到的問題：實驗結(jié)果中遇到的問題：在剛開始的時候，在看流程圖時，在剛開始的時候，明白微地址的跳轉(zhuǎn)是如何實現(xiàn)的，但是每個框圖的具體實現(xiàn)卻搞得不是很明白，在看明白了decodea, decodeb, decodec,