計(jì)算機(jī)組成原理-指令擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

1、華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 計(jì)算機(jī)組成原理A課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告開課實(shí)驗(yàn)室：計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室 年 月 日實(shí)驗(yàn)題目指令擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肓私饨虒W(xué)計(jì)算機(jī)微程序控制器的組成和設(shè)計(jì)技術(shù)，包括Am2910器件的功能與具體用法，教學(xué)計(jì)算機(jī)的總體組成和部件之間的連接方法，總之應(yīng)該深入理解控制器部件的組成、設(shè)計(jì)、控制與使用等諸項(xiàng)知識。二、設(shè)備與環(huán)境TEC-XP+教學(xué)機(jī)，微機(jī)(裝有Windows XP、ISPLEVER、ispVM System等軟件)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在現(xiàn)有的基本指令系統(tǒng)上，擴(kuò)展2條指令，分別是：指令一：NXOR DR,SR ，其功能是（DRSR） DR 。指令二: SWRM D

2、R,SR ,其功能是DR與SR的值互換，實(shí)現(xiàn)寄存器與內(nèi)存單元（通過間接尋址方式）之間的數(shù)據(jù)傳送。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、CPU模型2、微程序控制器組成原理框圖3、 機(jī)器指令與微指令關(guān)系 PC:存放下一條機(jī)器指令的地址（向指令存儲器提供指令地址）。 指令存儲器：（存放所有機(jī)器指令），經(jīng)地址譯碼，選中相應(yīng)存儲單元，取出相應(yīng)機(jī)器指令，送入指令寄存器IR。 指令寄存器IR：存放正在執(zhí)行的機(jī)器指令。機(jī)器指令包含兩個(gè)字段：操作碼（OP）、地址碼。 由操作碼（OP）映射得到微地址（譯碼過程），即機(jī)器指令所對應(yīng)的微程序入口地址，存入微地址寄存器。 控制存儲器存放所有的微程序，經(jīng)地址譯碼讀出一條微指令。 由控制存儲器讀

3、出的一條微指令存入微指令寄存器。4、 教學(xué)機(jī)TEC-XP的控制器提供的控制信號（微指令格式） B0-B5字段：DC1:CPU內(nèi)部總線數(shù)據(jù)來源選擇控制，詳見表1-1；DC2:專用寄存器接收控制，詳見表1-2。 B6-B11字段：SSH SCI:最低進(jìn)位輸入、移位輸入控制信號，詳見表2-1；SST：狀態(tài)寄存器控制信號，詳見表2-2。 B12-B19字段：A口：0000表示不使用寄存器，1000表示取IR中的SR，0100表示R4(SP),0101表示R5（PC）；B口：0000表示不使用寄存器，1000表示取IR中的DR，0100表示R4(SP),0101表示R5（PC）。 表1-1 DC1-CP

4、U內(nèi)部總線數(shù)據(jù)來源選擇 表1-2 DC2-專用寄存器接收控制 DC1編碼 譯碼信號操作說明000 /SWTOIB送開關(guān)內(nèi)容到內(nèi)部總線001/RTOIB送ALU輸出到內(nèi)部總線010/ETOIB送IR低位字內(nèi)容到內(nèi)部總線011/FTOIB送程序狀態(tài)字到內(nèi)部總線100 /16位機(jī)不用101 /16位機(jī)不用110/INTV送中斷向量到內(nèi)部總線111NC無操作DC1編碼 譯碼信號操作說明000 NC無操作001/GIR指令寄存器接收010 /16位機(jī)不用011/GAR地址寄存器接收100/INTR恢復(fù)中斷優(yōu)先級101/INTN接收中斷優(yōu)先級110/EI用于開中斷指令111/DI用于關(guān)中斷指令 表2-1

5、狀態(tài)寄存器 表2-2 最低進(jìn)位輸入、移位輸入控制信號SSH SCI Cin/Shift000 Cin = 0001Cin = 1010Cin = C100邏輯移位101循環(huán)移位SST CZVS000 CZVS001CyZROVF15010內(nèi)部總線0110ZVS1001ZVS101RAM0ZVS110RAM15ZVS111Q0ZVS B20-B28字段：I5-I3，I8-I6,I2-I0，為Am2901的9位控制碼，詳見下表3-1。I8-I6:運(yùn)算結(jié)果處理I5-I3:運(yùn)算功能I2-I0:數(shù)據(jù)來源編碼通用寄存器Q寄存器Y的輸出RS000 FQFR+SAQ001FS-RAB010FBAR-S0Q01

6、1FBFRS0B100F/2BQ/2QFRS0A101F/2BF/RSDA110F*2BQ*2QFRSDQ111F*2BF/(RS)D0 B29-B31字段：/MIO REQ /WE 對內(nèi)存和I/O接口讀寫控制：MRW編碼 功能000 寫內(nèi)存001 讀內(nèi)存010寫串口011讀串口1XX無內(nèi)存和串口的讀寫操作/MIO（0：有內(nèi)存或串口的讀寫，1：無）REQ（0：讀寫內(nèi)存， 1：讀寫串行口）/WE（0：寫操作， 1:讀操作） B32-B39字段： 順序控制字段，CI3-CI0,SCC3-0 = 0010 0000（20H）時(shí)，表示MAPROM映射入口地址；CI3-CI0,SCC3-0 = 1110

7、 0000（E0H）時(shí)，表示順序執(zhí)行；當(dāng)CI3-CI0 = 0011（3H）時(shí)SCC3-0字段有效，此時(shí)SCC編碼及功能詳見下表4-1。SCC編碼(CI3-CI0 = 0011 時(shí)有效)功能(下面條件滿足時(shí)，使/CC = 0)0000必轉(zhuǎn)移0010有中斷，INT=0時(shí)轉(zhuǎn)移0100C、Z測試，JRC、JRNC、JRZ、JRNZ指令微指令轉(zhuǎn)移條件不成立時(shí)，轉(zhuǎn)移0101S測試，JRS、JRNS指令微指令轉(zhuǎn)移條件不成立時(shí)，轉(zhuǎn)移0110IR10 = 0時(shí)（IN），轉(zhuǎn)移0111IR8 = 1時(shí)（PUSH、POP），轉(zhuǎn)移 B40-B47字段： 微下地址字段 5、擴(kuò)展的2條機(jī)器指令的格式及功能 擴(kuò)展的2條機(jī)器

8、指令的格式、功能、尋址方式、操作碼編碼、微程序步數(shù)、微程序入口地址如下表所示：序號格式功能尋址方式編碼微程序步數(shù)微程序入口地址1NXOR DR,SRDR與SR的值異或送DR寄存器直接尋址22H1802SWRM DR,SRDR 與 SR的值互換DR為寄存器直接尋址,SR為寄存器間接尋址E9H48A6、指令所對應(yīng)的微程序每條機(jī)器指令對應(yīng)的微程序、以及每步（微指令）的功能及各字段值的意義：（1） 如下表所示，為兩條指令所對應(yīng)的微程序：序號指令入口地址下址CI3-0SCC3-0MRWI2-0I8-6I5-3B口A口SSTSSHSCIDC2DC11NXOR DR,SR8030304,13,78,81,0

9、0,02SWRM DR，SR8A00E04,30,08,00,00,000E04,41,00,80,03,000E01,73,08,00,00,030300,21,00,00,00,1（2）擴(kuò)展的兩條機(jī)器指令的功能及各字段的意義如下： 指令一：NXOR DR,SR 機(jī)器指令NXOR共包括一條微指令，該微指令的功能及各字段值的意義如下： 入口地址：表示該機(jī)器指令對應(yīng)的微程序入口地址為80H； 下址：表示下一條機(jī)器指令的微程序入口地址為30H，并且為結(jié)束程序指令； CI3-0/SCC3-0：CI3-0 = 0011，表示進(jìn)行條件微轉(zhuǎn)移；SCC3-0 = 0000，表示必轉(zhuǎn)移，即執(zhí)行完該條微指令后必

10、須轉(zhuǎn)移到下一條機(jī)器指令所對應(yīng)的地址； MRW/I2-0:MRW = 100，表示無內(nèi)存和串口的讀寫操作；I2-0 = 001，表示數(shù)據(jù)來源于A,B兩個(gè)寄存器； I8-I6/I5-I3：I8-I6 = 011，I5-I3 = 111，I8-I6表示將運(yùn)算結(jié)果存入B寄存器；I5-I3表示進(jìn)行異或運(yùn)算； B口/A口：B = A = 1000，表示A口和B口的地址均為1000，該指令使用了A和B兩個(gè)寄存器； SST/SSH SCI：該指令中SST為1，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制位001，SST的功能為設(shè)置狀態(tài)寄存器的值，表示為 CZVS為C(Cy)Z(ZR)V(OV)S(F15)；SSH SCI為0，其功能是設(shè)置進(jìn)

11、位輸入，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為000，表示Cin=0； DC2/DC1：該指令中DC1和DC2分別為0,0，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為000,000，其功能為DC1送開關(guān)內(nèi)容到內(nèi)部總線，DC2不進(jìn)行操作。 指令二：SWRM DR,SR 機(jī)器指令SWRM包括四條微指令，以下是四條微指令執(zhí)行過程概述： 機(jī)器指令入口地址為8A，下址為00，微指令順序執(zhí)行，無內(nèi)存操作，數(shù)據(jù)來源為011，運(yùn)算結(jié)果送入Q寄存器，由Y口輸出，進(jìn)行R與S的加法操作，B口為IR的DR，不使用A口數(shù)據(jù)，狀態(tài)寄存器的值不變，進(jìn)位輸入為0，專用寄存器無操作，送開關(guān)內(nèi)容到內(nèi)部總線； 微指令的入口地址為8B，下址為00，微指令順序執(zhí)行，無內(nèi)存操作，數(shù)據(jù)來源

12、為100，運(yùn)算結(jié)果送入Y輸出，進(jìn)行R與S的加法運(yùn)算，不使用B口數(shù)據(jù)，A口為IR的SR，狀態(tài)寄存器的值不變，進(jìn)位輸入為0，地址寄存器接收數(shù)據(jù)，送開關(guān)內(nèi)容到內(nèi)部總線； 微指令的入口地址為8C，下址為00，微指令順序執(zhí)行，對內(nèi)存進(jìn)行讀操作，運(yùn)算器獲得數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果送入B口，并由Y輸出，進(jìn)行R與S的或運(yùn)算，B口為IR的DR，不使用A口數(shù)據(jù)，狀態(tài)寄存器的值不變，進(jìn)位輸入為0，專用寄存器無操作，送開關(guān)內(nèi)容到內(nèi)部總線； 微指令的入口地址為8D，下址為30，執(zhí)行完后必轉(zhuǎn)，對內(nèi)存進(jìn)行寫操作，數(shù)據(jù)來源為010，運(yùn)算結(jié)果送入Y輸出，進(jìn)行R與S的加法運(yùn)算，不使用A口與B口數(shù)據(jù)，狀態(tài)寄存器的值不變，進(jìn)位輸入為0，專用寄

13、存器無操作，送ALU輸出到內(nèi)部總線。7、ABEL語言源程序編輯以及JED文件生成 （1）添加指令操作碼NXOR = (IR = 0,0,1,0,0,0,1,0); SWRM = (IR = 1,1,1,0,1,0,0,1); （2）添加入口地址添加NXOR指令的入口地址： MA80 = (Y = 1,0,0,0,0,0,0,0); 添加SWRM指令的入口地址： MA8A = (Y = 1,0,0,0,1,0,1,0); MA8B = (Y = 1,0,0,0,1,0,1,1); MA8C = (Y = 1,0,0,0,1,1,0,0); MA8D = (Y = 1,0,0,0,1,1,0,1)

14、; （3）入口地址定義 對NXOR指令做如下修改： D7= !C_M&(!_MAP&(NXOR# .)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8; 對SWRM指令做如下修改： D1= !C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR1&!_PL)&!Bit8; D3= !C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR3&!_PL)&!Bit8; D7= !C_M&(!_MAP&(NXOR#SWRM#)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8; （4）下址定義對NXOR指令做如下修改： NXTADDR5:=!C_M&( MA80#.)&!Bit8; NXTADDR4:=!C_M&(

15、 MA80#.)&!Bit8;對SWRM指令做如下修改： NXTADDR5:=!C_M&( MA8D#.)&!Bit8; NXTADDR4:=!C_M&( MA8D#.)&!Bit8; （5）條件轉(zhuǎn)移字段定義 對NXOR指令做如下修改： CI0 := !C_M&(MA80#.)&NRST&!Bit8;對SWRM指令做如下修改： CI3:= !C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#.)&NRST&!Bit8; CI2:= !C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#.)&NRST&!Bit8; CI1:= !C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#.)&NRST&!Bit8; CI0 :=!C_

16、M&(MA8D#.)&NRST&!Bit8; （6）MRW定義 對NXOR指令做如下修改： !_MIO00:=!(MA80#.);對SWRM指令做如下修改： !_MIO00:=!(MA8A#MA8B#.); _WE00 :=(MA8C#.); （7）I2-I0，I8-I6，I5-I3定義 I200:=(MA8B#MA8C#.); I100:=(MA8A#MA8C#MA8D#.); !I000:=!(MA8A#MA8C#.); I700:=(MA8C#.); !I600 :=!(MA8B#MA8C#MA8D#MA80#.); I500 :=(MA80#.); I400 :=(MA80#.); I

17、300 :=(MA80#.); (8）B口、A口定義 B30=(MA80#MA8A#MA8C#.); A30=(MA8B#MA80#.); （9）SST/SSH SCI定義 SST000:=(MA80#.); （10）DC2 DC1定義 DC2_100:=(MA8B#.); DC2_000:=(MA8B#.); 將源程序按如上所述修改完畢后，雙擊lc4256.syn，啟動ispLEVER軟件，之后雙擊m256c.abl文件，再雙擊Compile Logic進(jìn)行編譯，最后雙擊JEDEC File,生成.jed文件。8、MACH編程 將JED文件下載到MACH器件的過程： （1）接好教學(xué)機(jī)上的在線

18、MACH編程電纜，將教學(xué)機(jī)電源打開； （2）啟動ispVM System軟件，通過主界面的SCAN按鈕找到在線編程器件； （3）雙擊找到的編程器件，雙擊Browse按鈕選擇已經(jīng)編譯好的jed文件，選擇OK按鈕； （4）重新回到主界面，點(diǎn)擊GO命令進(jìn)行編程。5、 編程驗(yàn)證及結(jié)果分析1、NXOR DR,SR 機(jī)器指令驗(yàn)證結(jié)果： 送R1寄存器0001，送R2寄存器0001，R1與R2異或結(jié)果送R1，機(jī)器指令NXOR對應(yīng)的機(jī)器碼為2212，其中22為操作碼，1-表示目的寄存器為R1，2-表示源寄存器為R2，由于沒有修改監(jiān)控程序，所以通過直接修改內(nèi)存單元值，完成輸入機(jī)器指令，驗(yàn)證結(jié)果R1=FFFF。2、

19、SWRM DR,SR 機(jī)器指令驗(yàn)證結(jié)果： 送R1寄存器0001，R2寄存器2040，表示內(nèi)存單元地址，2040的內(nèi)存單元值為0007，機(jī)器指令SWRM對應(yīng)的操作碼為E9，地址碼分別為1、2，表示目的寄存器使用R1，源寄存器使用R2，源操作數(shù)為寄存器間接尋址，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存單元與寄存器之間的數(shù)據(jù)交換，在沒有修改監(jiān)控程序的情況下，為了執(zhí)行擴(kuò)展的機(jī)器指令，通過E命令在內(nèi)存單元2004處輸入機(jī)器指令SWRM對應(yīng)的機(jī)器碼E912，最后結(jié)果R1 = 0007,內(nèi)存單元2040的值為0001。六、實(shí)驗(yàn)體會通過本次指令擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到了，CPU不是直接執(zhí)行由匯編語言匯編成的機(jī)器指令，而是執(zhí)行微指令。即一條機(jī)器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列就是微程序，也就是說往往一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。對于CPU來說，其主要完成4個(gè)基本功能：指令控制操作控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工；而CPU的基本組成有：控