(完整word版)CPU與簡單模型機設(shè)計實驗實驗報告

1、實驗報告CPUCPU 與簡單模型機設(shè)計實驗日期： 2015.112015.11實驗?zāi)康模海?）掌握一個簡單 CPU 的組成原理。（2）在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進一步將其構(gòu)造一臺基本模型計算機。（3）為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試掌握整機概念。二、實驗內(nèi)容：本實驗要實現(xiàn)一個簡單的 CPU 并且在此 CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個簡單的模型計算 機。CPU由運算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（R0）,指令寄存器（IR）、 程序計數(shù)器（PC 和地址寄存器（AR 組成，如圖 2-1-1 所示。這個 CPU 在寫入相應(yīng)的微指 令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器

2、指令一般存放在主存當中，CPU 必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該 CPU 的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸入輸出部 件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。圖 1-4-1 基本 CPU 構(gòu)成原理圖除了程序計數(shù)器（PC，其余部件在前面的實驗中都已用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程序計數(shù)器（PC 由兩片 74LS161 和一片 74LS245 構(gòu)成，其原理如圖 1-4-2 所示。PC_B 為三態(tài)門的輸出使能端，CLR 連接至 CON 單元的總清端 CLR 按下 CLR 按鈕，將使 PC 清零，LDPC 和 T2 相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當 LOAD 為低時，計數(shù)時鐘到來后將 CPU 內(nèi)總線上的

3、數(shù)據(jù)打入 PG班級：學號:姓名:實驗名稱:LOADB7.rB4 B3.,. BO內(nèi)總線內(nèi)總線圖 1-4-2 程序計數(shù)器（PC）原理圖本模型機和前面微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉(zhuǎn)指令JMP 共有五條指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），HLT（停機），其指令格式如下（高4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN0010 0000INTR0ADD0000 0000R0 + R0TR0OUT0011 0000R0TOUTJMP addr1100 0000 * addr宀 PCHLT0101 0000停機其中 JMP 為雙字節(jié)指令,其余均為單字節(jié)指令，*

4、為 addr 對應(yīng)的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是通過手動給出的，現(xiàn)在要求CPU 自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。根據(jù)以上要求，設(shè)計數(shù)據(jù)通路圖，如圖1-4-3 所示。本實驗在前一個實驗的基礎(chǔ)上增加了三個部件，一是PC （程序計數(shù)器），另一個是 AR（地址寄存器），還有就是 MEM（主存）。因而在微指令中應(yīng)增加相應(yīng)的控制位，其微指令 格式如表1-4-1 所示。朋朋Q0計數(shù)計數(shù)H(161)D3DOnTT-D-iLDPCT2CLR01圖 1-4-3 數(shù)據(jù)通路圖系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖1-4-4 所示，當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為 P測試。指令譯碼原理見圖 1-3-3 所示，

5、由于“取指”微指令是所有微程序 都使用的公用微指令，因此 P的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的高 6 位(IR7IR2 )作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元，剩下的其它地方就可以 一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫，微程序流程圖上的單元地址為16 進制。當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表 1-4-2 即為將圖 1-4-2 的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。00圖 1-4-4 簡單模型機微程序流程圖表 1-4-2 二進制微代碼表地址十六進制高五位S3-S0A 字段 B 字段 C 字段MA5-MA00000 00 010000000

6、000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 0100011000001100000000000128 04 010010100000000100000000013500 00 35000

7、0000000000000001101013C00 6D 5D000000000110110101011101設(shè)計一段機器程序， 要求從 IN 單元讀入一個數(shù)據(jù)， 存于 R0,將 R0 和自身相加，結(jié)果存 于 R0,再將 R0 的值送 OUT 單元顯示。根據(jù)要求可以得到如下程序，地址和內(nèi)容均為二進制 數(shù)。地址內(nèi)容助記符說明0000000000100000;START: IN R0從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送R00000000100000000;ADD R0,R0R0 和自身相加，結(jié)果送 R00000001000110000;OUT R0R0 的值送 OUT 單元顯示0000001111100000

8、;JMP START跳轉(zhuǎn)至 00H 地址00000100000000000000010101010000;HLT停機三.實驗步驟：聯(lián)機寫入和校驗聯(lián)機軟件提供了微程序和機器程序下載功能，以代替手動讀寫微程序和機器程序，但是微 程序和機器程序得以指定的格式寫入到以TXT 為后綴的文件中，微程序和機器程序的格式如下：機器指令格式說叩：5P XX XX T匚機器指令代碼-十六進制地址-機器指令標忐本次實驗程序如下，程序中分號；為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉:;*;/；II CPU與簡單模型機實驗指令文件II;IIII;*;* Start Of Mai n Memory Data *M xx

9、心咖1儆捋令代碼1-十六進制地址-燉指令尿忐;* End Of Main Memory Data */* Start Of MicroC on troller Data */;NOP;PC-AR,PC 加 1;MEM-IR, P;R0-B;A 加 B-R0;MEM-PC;R0-A;IN-R0;R0-OUT;NOP;PC-AR,PC 加 1;/* End Of MicroC on troller Data */選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】一【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇上面所保存 的文件，軟件自動將機器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?。選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】一【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機

10、器指令和微 指令，并在指令區(qū)顯示，對照文件檢查微程序和機器程序是否正確，如果不正確，則說明 寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨修改某個單元的指令，以修改微指令 為例，先用鼠標左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB 按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸? 位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。運行程序聯(lián)機運行將 MC 單元的編程開關(guān)置為運行檔，MEM 單元的編程開關(guān)也置為運行檔，進入軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】一【簡單模型機】”，打開簡單模型機數(shù)據(jù)通路圖。按動 CON 單元的總清按鈕 CLR 然后通過軟件運行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機 運行、監(jiān)控、

11、調(diào)試程序，當模型機執(zhí)行完 JMP 指令后，檢查 OUT 單元顯示的數(shù)是否為 IN 單 元值的 2 倍。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程，并觀測軟件中地址總線、 數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機是否一致。$P 00 20; START: IN RO$P 01 00; ADD R0,R0 RO$P 02 30; OUT R0 R0$P 03 E0 ; JMP START$P 04 00;$P 05 50; HLT從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0和自身相加，結(jié)果送 R0的值送 OU 單元顯示跳轉(zhuǎn)至 00H 地址停機$M 00 000001$M 01 006D43$M 03 107070$M 0

12、4 002405$M 05 04B201$M 1D 105141$M 30 001404$M 32 183001$M 33 280401$M 35 000035$M 3C 006D5D四、具體實現(xiàn)：打開 IN 單元，輸入操作數(shù)（以 03 為例），啟動程序計數(shù)器（PC,然后自動啟動加 1 操作，將指令地址放到地址寄存器（AR（2）從存儲器當中讀取指令，并將它存到指令寄存器（IR ）當中，然后對指令進行編譯處理，形成控制信號，來控制各個部件的工作；(3)啟動讀操作，將 IN 單元當中的操作數(shù)(03)讀到 R0 寄存器中(4)接著從 PC 中取出第二條指令的地址，并自動加1，并將它存放到 AR 當中

13、;(5)從存儲器中取出第一條指令，并將它存放到IR 中，并進行編譯(6 )將存儲器 R0 的 03 值送到 A 和 B 中;(7)啟動 ALU 運算器，執(zhí)行加操作，并將運算結(jié)果送往R0 當中;cpyAR =( 8 ) 同 樣 從P C 當 中 第 三 條 ( 將 運 算 結(jié) 果O U T 單 元 顯 示 ) ， 取 指 令 流 程 與 上 述 指 令 上 述 類 似 ;1r -CPU1I11 jfjtjnr *1里* H T 亠才！電j- r*5五、項目要求及分析：1、試修改現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，將加法指令的功能修改為 R0 的內(nèi)容和某個存儲單元 的內(nèi)容相加；增加存數(shù)、取數(shù)和減法三條機器指令，指令助

14、記符分別為STA LAD和 SUB 指令操作碼分別為十六進制的 60、70 和 80。設(shè)計流程圖如下：（紅筆為修改的重點部分）地址 十六進制咼五位S3-S0 A 字段 B 字段 C 字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010400 6D 450000000001101101010001010504 B2 0100000100101100100000

15、00010510 24 060001000000100100000001100604 B2 010000010010110010000000010700 6D 480000000001101101010010000810 24 090001000000100100000010010905 B2 010000010110110010000000010A20 30 010010000000110000000000010B10 04 010001000000000100000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 0400000000000101

16、00000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013600 6D 4A0000000001101101010010103700 6D 4B0000000001101101010010113C00 6D 5D000000000110110101011101六、所遇問題及解決方法：這次實驗含有部分的驗證性實驗，此部分與以往無較大差別，較為好做，易 于完成。但同時此實驗還含有難度較高的設(shè)計性部分， 因而做起來較為頭痛辛苦。在設(shè)計程序流程圖時遇到很多困難， 在編程時亦遇到匯編語言和