完整版計(jì)算機(jī)原理試驗(yàn)四CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)操作步驟

1、5.1 CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)5.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握一個(gè)簡(jiǎn)單CPU的組成原理.2在掌握部件單元電路的根底上,進(jìn)一步將其構(gòu)造一臺(tái)根本模型計(jì)算機(jī).3為其定義五條機(jī)器指令,編寫(xiě)相應(yīng)的微程序,并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念.5.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái),TD-CMA 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套.5.1.3實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 CPU,并且在此CPU的根底上,繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì) 算機(jī).CPU由運(yùn)算器ALU 、微程序限制器MC、通用存放器R0,指令存放器IR、 程序計(jì)數(shù)器PC和地址存放器AR組成,如圖5-1-1所示.這個(gè)CPU在寫(xiě)入相應(yīng)的微指 令后,就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能,但是機(jī)器指令一般存放在主存當(dāng)

2、中,CPU必須和主存掛接后,才有實(shí)際的意義,所以還需要在該CPU的根底上增加一個(gè)主存和根本的輸入輸出部件,以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī). ARALU '圖5-1-1 根本CPU構(gòu)成原理圖除了程序計(jì)數(shù)器PC,其余部件在前面的實(shí)驗(yàn)中都已用到,在此不再討論.系統(tǒng)的程序計(jì)數(shù)器PC和地址存放器AR集成在一片CPLD芯片中.CLR連接至CON單元的 總清端CLR,按下CLR按鈕,將使PC清零,LDPC和T3相與后作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘, 當(dāng)LOAD為低時(shí),計(jì)數(shù)時(shí)鐘到來(lái)后將CPU內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入 PC.LDPCT3CLRLOAD圖5-1-2程序計(jì)數(shù)器PC原理圖本模型機(jī)和前面微程序限制器實(shí)驗(yàn)相比,新增加

3、一條跳轉(zhuǎn)指令 JMP,共有五條指令：IN輸入、ADD 二進(jìn)制加法、OUT 輸出、JMP 無(wú)條件轉(zhuǎn)移,HLT 停機(jī),其指令 格式如下高4位為操作碼：助記符機(jī)器指令碼說(shuō)明IN0010 0000IN -R0ADD0000 0000R0 + R0 海OUT0011 0000R0 TOUTJMP addr1110 0000 *addr tpcHLT0101 0000停機(jī)其中JMP為雙字節(jié)指令,其余均為單字節(jié)指令,* 為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼.微程序限制器實(shí)驗(yàn)的指令是通過(guò)手動(dòng)給出的,現(xiàn)在要求CPU自動(dòng)從存儲(chǔ)器讀取指令并執(zhí)行.根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路圖,如圖 5-1-3所示.本實(shí)驗(yàn)在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的根底上

4、增加了三個(gè)部件,一是PC 程序計(jì)數(shù)器,另一個(gè)是AR地址存放器,還有就是MEM 主存.因而在微指令中應(yīng)增加相應(yīng)的限制位,其微指令格式如表5-1-1所示.圖5-1-3數(shù)據(jù)通路圖141312選擇000NOP001LDA010LDB011LDR0100保存101LOAD110LDAR111LDIR11109選擇000NOP001ALU_B010R0_B011保存100保存101保存110PC_B111保存876選擇000NOP001P<1>010保存011保存100保存101LDPC110保存111保存表5-1-1微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23

5、M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A字段盼段芍段系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)圖5-1-4所示,當(dāng)擬定“取指微指令時(shí),該微指令的判別測(cè)試字段為P<1>測(cè)試.指令譯碼原理見(jiàn)圖3-2-3所示,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(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支.本機(jī)用指令存放器的高6位(IR7 IR2)作為測(cè)試條件,出現(xiàn)5路分支,占用5個(gè)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(gè)微地址單元隨意填寫(xiě),微程序流程圖上的單元地址為16進(jìn)制.00NOP011 rPC->ARpBu 1031 FMEM->IR30P&l

6、t;1>ADDINOUTHLTJMP3 3032ir 33J 35r 3CR0->AIN->R0R0->OUTNOPPC->ARPB 口 1 04137_31DR0->BoT)1MEM->PC05AA加 B->R0)1圖5-1-4簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后,應(yīng)將每條微指令代碼化,表 5-1-2即為將圖5-1-4的微程序流程 圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表.表5-1-2 二進(jìn)制微代碼表地址十八進(jìn)制局五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100

7、6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 3500000000000000000011010

8、13C00 6D 5D000000000110110101011101設(shè)計(jì)一段機(jī)器程序,要求從IN單元讀入一個(gè)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(jìn)制數(shù).地址內(nèi)容助記符說(shuō)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00000011 11100000 ; JMP START 00000100 000000

9、00 ;5.1.4實(shí)驗(yàn)步驟跳轉(zhuǎn)至00H地址停機(jī)00000101 01010000 ; HLT1.2.按圖5-1-5連接實(shí)驗(yàn)線路.1)寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)程序,并進(jìn)行校驗(yàn),分兩種方式,手動(dòng)寫(xiě)入和聯(lián)機(jī)寫(xiě)入. 手動(dòng)寫(xiě)入和校驗(yàn)(1)手動(dòng)寫(xiě)入微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1置為停止檔,KK3置為編程檔,KK4置為控存檔,KK5置為置數(shù)檔. 使用CON單元的SD05 SD00給出微地址,IN單元給出低8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的低8位. 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為'加1'檔. IN單元給出中8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的

10、開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的中 8位.IN單元給出高8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操 作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的高 8位.重復(fù)、四步,將表5-1-2的微代碼寫(xiě)入 2816芯片中.時(shí)序與操作臺(tái)單元CLK0 TS1.30HZTS4LOADLDARLDPCPC BT1MC元ALIJBT4WR RDIOM限制總線XMWXMRIO-D-WR RD IOMLDALDBRxioWJ- -a XQRQ./LDRlD7 RDD0 IN單元1 N_BCH-bdUD7 WRWRD7D0ME噂元XD7XD7. . .XD0 XD0 數(shù)據(jù)總線11)_B J 心D0 LED_B ouT元

11、擴(kuò)展單元 GNA7A0> 5 O 舊 "E E D < s S L P :圖5-1-5實(shí)驗(yàn)接線圖(2)手動(dòng)校驗(yàn)微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1置為停止檔,KK3置為校驗(yàn)檔,KK4置 為控存檔,KK5置為置數(shù)檔. 使用CON單元的SD05 SD00給出微地址,連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST, MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M7M0顯示該單元的低 8位. 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為加1'檔. 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST, MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15 M8顯示該單元的中8位,MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M23M16顯示該單元的高 8位. 重復(fù)、四步,完

12、成對(duì)微代碼的校驗(yàn).如果校驗(yàn)出微代碼寫(xiě)入錯(cuò)誤,重 新寫(xiě)入、校驗(yàn),直至確認(rèn)微指令的輸入無(wú)誤為止.(1) 手動(dòng)寫(xiě)入機(jī)器程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1置為停止檔,KK3置為編程檔,KK4置為主存檔,KK5置為置數(shù)檔. 使用CON單元的SD07 SD00給出地址,IN單元給出該單元應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該存儲(chǔ)器單元. 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為加1'檔. IN單元給出下一地址(地址自動(dòng)加1)應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元中.然后地址會(huì)又自加1,只需在IN單元輸入后續(xù)地址的數(shù)據(jù),連續(xù)兩次按動(dòng)

13、時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,即可完成對(duì)該單元的寫(xiě)入. 亦可重復(fù)、兩步,將所有機(jī)器指令寫(xiě)入主存芯片中.(2) 手動(dòng)校驗(yàn)機(jī)器程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1置為停止檔,KK3置為校驗(yàn)檔,KK4置為'主存檔,KK5置為置數(shù)檔. 使用CON單元的SD07 SD00給出地址,連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7 D0顯示該單元的數(shù)據(jù). 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5置為加1'檔. 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,地址自動(dòng)加1 , CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7 D0顯示該單元的數(shù)據(jù).此后每?jī)纱伟磩?dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,地址自動(dòng)加1 , CPU內(nèi)總線的指

14、數(shù)據(jù)指示燈D7 D0顯示該單元的數(shù)據(jù),繼續(xù)進(jìn)行該操作,直至完成校驗(yàn),如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,那么返回寫(xiě)入,然后校驗(yàn),直至確認(rèn)輸入的所有指令準(zhǔn)確無(wú)誤. 亦可重復(fù)、兩步,完成對(duì)指令碼的校驗(yàn).如果校驗(yàn)出指令碼寫(xiě)入錯(cuò)誤,重新寫(xiě) 入、校驗(yàn),直至確認(rèn)指令碼的輸入無(wú)誤為止.2)聯(lián)機(jī)寫(xiě)入和校驗(yàn)聯(lián)機(jī)軟件提供了微程序和機(jī)器程序下載功能,以代替手動(dòng)讀寫(xiě)微程序和機(jī)器程序,但是微程序和機(jī)器程序得以指定的格式寫(xiě)入到以TXT為后綴的文件中,微程序和機(jī)器程序的格式如下：機(jī)器指令格式說(shuō)明：$P XX XX匚機(jī)器指令代碼十六進(jìn)制地址機(jī)器指令標(biāo)志微指令格式說(shuō)明：$M XX XXXXXX微指令代碼十六進(jìn)制地址微指令標(biāo)志本次實(shí)驗(yàn)程序如下, 程序中

15、分號(hào)；為注釋符,分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉:/;*與簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)指令文件;/;/ CPU/ By TangDu CO.,LTD,/;/*;/* Start Of Main Memory Data *$P 00 20 ; START: IN R0從IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0$P 01 00;ADDR0,R0R0和自身相加,結(jié)果送 R0$P 02 30;OUTR0R0的值送 OUT單元顯示$P 03 E0;JMPSTART跳轉(zhuǎn)至 00H 地址$P 04 00;$P 05 50;HLT停機(jī);/* End Of Main Memory Data */;/* Start Of MicroCont

16、roller Data */$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC力口 1$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>$M 04 002405 ; R0->B$M 05 04B201 ; A力口 B->R0$M 1D 105141 ; MEM->PC$M 30 001404 ; R0->A$M 32 183001 ; IN->R0$M 33 280401 ; R0->OUT$M 35 000035 ; NOP$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC力口 1;/*

17、End Of MicroController Data */選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【裝載】功能,在翻開(kāi)文件對(duì)話框中選擇上面所保存的文 件,軟件自動(dòng)將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【刷新指令區(qū)】可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令, 并在指令區(qū)顯示,對(duì)照文件檢查微程序和機(jī)器程序是否正確,如果不正確,那么說(shuō)明寫(xiě)入操作失敗,應(yīng)重新寫(xiě)入,可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的指令,以修改微指令為例,先用鼠標(biāo)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(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁?輸入 6位數(shù)據(jù)并回車(chē),編輯框消失,并以紅色顯示寫(xiě)入的數(shù)據(jù).3.運(yùn)行程序方法一：本機(jī)運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK1、KK3置為運(yùn)行檔,按動(dòng) CON單元的總清按鈕 CLR,將使程序計(jì)數(shù)器 PC、地址存放器 AR和微程序地址為 00H,程序可以從頭開(kāi)始運(yùn)行, 暫存器A、B,指令存放器IR和OUT單元也會(huì)被清零.將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK2置為單步檔,每按動(dòng)一次 ST按鈕,即可單步運(yùn) 行一條微指令,對(duì)照微程序流程圖,觀察微地址顯示燈是否和流程一致. 每運(yùn)行完一條微指 令,觀測(cè)一次 CPU內(nèi)總線和地址總線,對(duì)照數(shù)據(jù)通路圖,分析總線上的數(shù)據(jù)是否正確.當(dāng)模型機(jī)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