基本模型機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、南京曉莊學(xué)院信息工程學(xué)院計算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)名稱：基本模型機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)年級專業(yè)班級：14_級計算機(jī) 專業(yè)專本1班班級學(xué)號：姓名： 殷宇翔學(xué)號：姓名：學(xué)號：姓名：時間： 2016年 12月 10 日實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要?1、在掌握部件單 元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ) 上，進(jìn)一步將其組 成系統(tǒng)以構(gòu)2、設(shè)計五條機(jī)器 指令，并編寫相應(yīng) 的微程序，具體上 機(jī)調(diào)試，掌 握整機(jī)軟硬件組成概念。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、器件與環(huán)境：儀器設(shè)備名稱規(guī)格型號編號備注計算機(jī)組成原理系統(tǒng)DWCC-C8JH三、實(shí)驗(yàn)方法、原理：部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的， 而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號

2、，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，實(shí)驗(yàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的 一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序。有關(guān)微控制器部分在前一實(shí)驗(yàn)中已詳細(xì)介紹主存儲器的讀、寫和運(yùn)行為了向主存儲器 RAM 中裝入程序或數(shù)據(jù)， 并且檢查寫入是否正確以與能運(yùn)行主存儲器中的程序，必須設(shè)計三個控制操作微程序。存儲器讀操作：撥動總清幵關(guān)后，置控制幵關(guān)SWC、SWA 為“ 0 0 ”時，按要求連線后，連續(xù)按“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，可對主存儲器RAM 連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作：撥動總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWC、SWA 為“ 0 1 ”時

3、，按要求連線后，再按“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，可對主存儲器RAM進(jìn)行連續(xù)手動寫入。運(yùn)行程序：撥動總清幵關(guān)后，置控制幵關(guān)SWC、SWA為“ 1 1 ”時，按要求連線后，再按“啟動運(yùn)行”開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01 號上述三條控制指令用兩個幵關(guān)SWC、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：Q A/A護(hù)牛II厶十匕人SWCSWA控制臺指令00讀內(nèi)存01寫內(nèi)存指令寄存器介紹指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。 當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制構(gòu)成，為了執(zhí)行任何一條給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試P(1)，通過節(jié)拍脈沖 T4 的控制以便識別

4、所要求的操作。“指令譯碼器” 根據(jù)指令中的操作碼進(jìn) 行譯碼，強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。輸入/輸出設(shè)備本系統(tǒng)有兩種外部 I/O 設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼幵關(guān) KDOKD7，它作為輸入設(shè)備INPUT ;另一種是數(shù)碼顯示塊，它作為輸出設(shè)備 OUTPUT。例如：輸入時，二進(jìn)制幵關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到外部數(shù)據(jù)總線上，只要幵關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(W/R )有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。設(shè)計指令根據(jù)基本模型機(jī)的硬件設(shè)計五條機(jī)器指令：外設(shè)輸入指令I(lǐng)N、二進(jìn)制加法指令A(yù)DD、存數(shù)指令STA、輸出到外設(shè)指令

5、OUT、無條件轉(zhuǎn)移指令 JMP。指令格式如下：助記符機(jī)器指令碼說明IN0000 0000夕卜部幵關(guān)里輸入” KD0 KD7的幵關(guān)狀態(tài)t R0ADDaddr0001 0000XXXX XXXX;R0+addrlt R0STA addr0010 0000XXXXXXXX;R0 t addrOUT addr0011 0000XXXX XXXX;addr t busJMP addr01000000 xxxxxxxx； addr f PC說明:指令I(lǐng)N 為單字節(jié)指令，其余均為雙字節(jié)指令，XXXXXXXX為addr 對應(yīng)的主存儲器二進(jìn)制地址碼。(6)基本模型機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計本模型機(jī)監(jiān)控軟件主要完成從輸入設(shè)

6、備讀入數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單算 術(shù)運(yùn)算后，將結(jié)果存入內(nèi)存的某個單元，最后通過輸出設(shè)備輸出結(jié)果。監(jiān)控軟件詳細(xì)如下:地址內(nèi)容助記符說明0000000000000000IN;“INPUTDEVICE ；” f R00000000100010000ADD : 0AH ;R0 + :0AH 1f R000000010000010100000001100100000STA0BH 仁R0f0BH 100000100000010110000010100110000OUT :0BH ;0BH 1 fBUS00000110000010110000011101000000JMP00H 1;00H f PC000010000

7、0000000000010010000101000000001;自定義參加運(yùn)算的數(shù)放單元 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟:(1 )根據(jù)機(jī)器指令畫出對應(yīng)的微程序流程圖本實(shí)驗(yàn)的微程序流程見圖3.7.2，當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P ( 1 )測試。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( 1 )的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位I714作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元。實(shí)驗(yàn)機(jī)控制操作為P4)測試，它以控制幵關(guān)SWC、SWA 作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用 3個固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單兀固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控

8、存一個微地址單兀隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單兀地址為16進(jìn)制。(2)根據(jù)微程序流程圖設(shè)計微指令并轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制代碼文件。當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，即按微指令格式將圖 3.7.2微程序流程圖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制微代碼表，如表3.7.1所示，再轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制代碼文件。圖微程序流程圖監(jiān)控程序的16進(jìn)制文件格式(文件名 程序：$ P00 00$ P01 10C8JHE1 ):$P02 0AP03 20P04 0BP05 30P06 OBP07 40P08 00$ P0A 01微程序：$ M00 108105$ M01 82ED05M0B 8EED05M0C 96ED05M0D 018

9、206M02 48C004M03 04E004M04 05B004M0E 0FE004M0F 15A004M10 92ED05$ M05 06A205$ M06 019A95M11 94ED05M12 17A004M13 018005$ M07 0DE004M08 011004M09 83ED05M0A 87ED05M14 182004M15 010A07M16 81D104$ M17 100A07$ M18 118A06微地址 S3 S2 S1 S0 M CN WE B1C、UA5 UA表二進(jìn)制微代碼表0 00 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 010 00 1 0 0 00 1J

10、JJJJ1J100000101WWW1 1 0XJJ1 1 01XJ J11 00 0 0 0 1V102xjJJJJ1J10 0 0 0 0 1 0 011 J1 0 011 V0 0 011 V00 1J J J J 10 0 1 0 003UUUUUU0 0 0 0 0 1 0 01 1 00 0 0uu十00 00 0 0 1 003040 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 0 01 1 00 1 10 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 1 00 0 0 1 004nc00000100nn n n n4n40 1 1 n 4 n0 0 0n n 400 0

11、nn n0 0 0 1 0A A A 4 4050 60 0 0 0 0 1 0 1100101010 1 00 0 10 0 11 0 10 0 0000000PVV00000011000000011010607100101010 0 0 0 0 1 0 00 011 1 00 80 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 0 01 1 00 0 10 0 00 0 000 000 00 0 1 1 00 0 0 0 00 8090 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 0 10 0 11 1 00 0 01 1 000 011 00 0 0 0 00 0 0 0 10

12、90 A0 0 0 0 0 1 0 11 1 01 1 01 1 01 1 011 01 1 00 0 0 0 10 0 0 1 1,n r00000101nnnnn4c41 1 04 4 n1 1 04 d n11 044 n0 0 0 1 1n n 4 4 4n c00000101nnnnndnd1 1 0d d n1 1 0d d n11 0dd n0 0 1 11n d n d d0 Cn n0 0 0 0 0 1 0 11 1 0non1 1 0n n 411 0nn n0 1 0 1 1 n n n n n0D00000110nnnAA4nn0 0 04 4 n0 0 1 n n

13、n00 0nn n0 0 0 0 0n n 4 4 40En廠nnn n彳nn1 1 0n < n0 0 0n n n00-0nn n0 0 1 11F4n00000100nnnHH4n40 1 04 4 n0 0 04 d n00 044 n0 1 0 1 0n4nn41 000000101nnaaadna1 1 0d d n1 1 0d 4 n11 0dd n0 1 0 0 1n d n d n1 1dn0 0 0 0 0 1 0 11 1 0c a1 1 0n n n1 1 00 1 0 1 0n 20 0 0 0 0 1 0 00 1 0c a c0 0 00 0 00 1 0

14、1 1rurun n n13AA0 0 0 0 0 1 0 1ccccc 彳cc0 0 0n 4 n0 0 0c c c00 0cc c0 0 0 0 0A 4 4 A A14ar00000100AAAAA4440 1 0c c c0 0 0d n d00 0cc c0 1 1 0 0c c c c c15aa0 0 0 0 0 1 1 1n n a a a*4 n n0 0 01 0 1 non0 0 00 0 0 0 0c c c c c60 0 0 0 0 1 0 0CCCCC4AA1 0 1C C A0 0 0A C A11 0crT0 0 0 0 0fY A C C C171 800

15、001110 0 0 0 0 1 1 00 0 00 0 01 0 11 0 10 0 00 1 0 0 00 1 0 0 0（3）讀寫程序手動方法寫微程序參看實(shí)驗(yàn)六。手動方法寫代碼程序（機(jī)器指令）步驟如下:通過上一步將機(jī)器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入E2ROM 2816芯片后，再進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。A. 將“編程幵關(guān)”置“運(yùn)行”位置，“運(yùn)行控制”幵關(guān)置“運(yùn)行”位置，“運(yùn)行方式”幵關(guān)置“單步”位置。B. 撥動總清幵關(guān)（0 - 1 ），微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制幵關(guān)SWC、SWA幵關(guān)置為“ 0 1”，按動一次“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5 顯示“ 010

16、001 ”，再按動一次“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5 顯示“ 010100 ”，此時數(shù)據(jù)幵關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，再按動一次“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀微程 序流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址只要第一次給出即可，PC會自動力口 1，所以，每次按動“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，只有在微地址燈顯示“ 010100 "時，才設(shè)置內(nèi)容，直至U所有機(jī)器指令寫完。C. 寫完程序后須進(jìn)行檢驗(yàn)。撥動總清幵關(guān)（0 t 1）后，微地址清零，PC程序計數(shù)器清零，然后使控制幵關(guān)SWC、SWA為“ 0 0 ” ,按動“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址燈將顯示“010000 ”，再按“啟

17、動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址燈顯示為“010010 ”，第三次按“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址燈顯示為“010111 ”，此時總線數(shù)據(jù)顯示燈LZD0LZD7 顯示為該首地址的內(nèi)容，再按動一次“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，微地址燈顯示為“ 010000 ”，2位數(shù)碼管即顯示RAM 中的程序。不斷按動“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000 ”時，2位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中的機(jī)器指令內(nèi)容。聯(lián)機(jī)讀/寫微程序和機(jī)器指令用聯(lián)機(jī)軟件的裝載功能將16進(jìn)制格式文件 （文件名為 C8JHE1 ）裝入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即可（詳細(xì)操作見隨機(jī)軟件的README ）。（4 ）運(yùn)行程序 單步運(yùn)行程序A. “編

18、程幵關(guān)”置“運(yùn)行”狀態(tài)，“運(yùn)行方式”幵關(guān)置為“單步”狀態(tài)，“運(yùn)行控制”幵關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)。B. 撥動總清幵關(guān) （0 t 1），微地址清零，PC計數(shù)器清零，程序首地址為00H。C. 按動“啟動運(yùn)行”幵關(guān)，即單步運(yùn)行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。 連續(xù)運(yùn)行程序A. “編程開關(guān)”置“運(yùn)行”狀態(tài)，“運(yùn)行方式”開關(guān)置為“連 續(xù)”狀態(tài)，“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)。B. 撥動總清開關(guān)，清微地址與PC計數(shù)器，按動“啟動運(yùn)行”開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序。如果要停止程序的運(yùn)行，只需將“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“停止”狀態(tài)，系統(tǒng)就停機(jī)。C. 停機(jī)后，可檢查存數(shù)單元0BH 中的結(jié)果是否正確。五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表:1234567輸入指令I(lǐng)NA80HAAA加法指令A(yù)DDBBAAABA傳送指令STAABAA輸出指令OUTBA無條件跳轉(zhuǎn)指令JMPAA六、實(shí)驗(yàn)體會這學(xué)