實驗四基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)

1、實驗四 基本模型機設(shè)計與實現(xiàn) 一、 實驗?zāi)康? 在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，將微程序控制器模塊與運算器模塊、存儲器模塊組合成一起，組成一臺基本模型計算機。2 用微程序控制器來控制模型機的數(shù)據(jù)通道。3 通過CPU運行五條機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關(guān)系，建立利用指令控制整機（輸入、輸出、運算、存儲系統(tǒng)）的概念。二、 實驗設(shè)備計算機組成原理實驗儀一臺，PC機一臺，排線若干。三、 實驗原理（1） 實驗數(shù)據(jù)框圖如圖4-1所示： 圖4-1基本模型機數(shù)據(jù)通道框圖（2） 在模型機實驗中，數(shù)據(jù)通道的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存取出一條機器指令到執(zhí)行指令結(jié)束的一個指令周期，是由

2、微指令組成的序列來完成的，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。（3） 本實驗我們將五條機器指令及有關(guān)數(shù)據(jù)寫入RAM和ROM中。通過CPU運行由五條機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關(guān)系。（4） 微指令格式：24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8 A B C UA5 UA4 UA3 UA2 UA1 uA0 A字段 B字段 C字段15 14 13 選擇 12 11 10 選擇 9 8 7 選擇 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 LDRi 0

3、0 1 RS-B 0 0 1 P（1） 0 1 0 LDDR1 0 1 0 RD-B 0 1 0 P（2） 0 1 1 LDDR2 0 1 1 R1-B 0 1 1 P（3） 1 0 0 LDIR 1 0 0 299-B 1 0 0 P（4） 1 0 1 LOAD 1 0 1 ALU-B 1 0 1 AR 1 1 0 LDAR 1 1 0 PC-B 1 1 0 LDPC 其中A8、A9是2：4譯碼器（74LS139）的輸入端，Y0、Y1、Y2、Y3是譯碼器輸出端，其電路結(jié)構(gòu)如下： 其中Y0為SW-B，Y1為CE，Y2為LED-B，Y3為空。（5） 微程序流程圖如下： 運行微程序圖4-2基本模型

4、機微程序流程圖（6） 微指令二進制代碼表如表4.2所示：表4.2微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5-UA0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0

5、 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01

6、1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0

7、0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1

8、0 0 0 1（7） 機器指令格式如表4.3所示：表4.3四、 實驗內(nèi)容及步驟1 實驗內(nèi)容（1）按圖4-3連接實驗線路，檢查無錯后通電。圖4-3 基本模型機接線圖（2）實驗程序 用基本的五條機器指令編寫實驗程序。該實驗程序作為例子已存在磁盤里，文件名為EX1，該程序包括機器指令程序和微指令程序，機器指令程序如下：（地址和內(nèi)容都是十六進制，機器指令的前4位為操作碼。）例子：微指令的微代碼如下：（內(nèi)容是十六進制）說明：十六進制微指令程序的微代碼的表示法是按照表4.2微指令二進制代碼表中從左到右分成3個8位，將此3個8位的二進制代碼化為相應(yīng)的十六進制數(shù)即可。脫機手動輸入微代碼時，請將十六進制的微代碼

9、的第1字節(jié)和第3字節(jié)內(nèi)容對換后輸入，即從開關(guān)MK24開始，先輸?shù)?字節(jié)，再輸?shù)?字節(jié)，最后輸?shù)?字節(jié)。而十六進制的地址要轉(zhuǎn)化為八進制輸入，內(nèi)容要轉(zhuǎn)化為二進制輸入。2 實驗步驟與PC機聯(lián)機將上面的實驗程序（EX1）下載到實驗儀里，該程序包括機器指令程序和微指令程序，機器指令程序裝入6116存儲器（RAM）里，微指令程序裝入E2PROM2816控制存儲器（ROM）里，然后運行程序。（1） 實驗程序下載操作步驟：1 開機后，啟動Windows系統(tǒng)，雙擊桌面上的“組成原理實驗”快捷圖標，即可進入DVCC組成原理實驗系統(tǒng)主畫面。2 單擊該系統(tǒng)第三行的打開圖標，即可出現(xiàn)文件框，選擇文件名EX1并打開之。3

10、 此時左邊的編輯窗口“新文件”變?yōu)椤癊X1”，在該窗口里顯示EX1的源文件，它包括機器指令程序和微指令程序的微代碼，$P開頭是機器指令程序,$M開頭是微指令程序的微代碼。4 單擊“調(diào)試”圖標，把打開的源文件下載到實驗儀里，在下載過程中屏幕上方出現(xiàn)“正在傳送文件”的提示，當文件傳送完畢，提示消失。5 文件傳送完畢，要檢查源文件是否正確傳送到實驗儀RAM（6116存儲器）和ROM（E2PROM2816控制存儲器）里，首先檢查實驗儀RAM的內(nèi)容，單擊“程序RAM”打開該窗口，查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令的地址和內(nèi)容是否一致，若不一致，重復4的操作，若一致，就單擊菜單欄中“調(diào)試”菜單，

11、然后選擇并單擊“刷新數(shù)據(jù)”或按“F5”熱鍵對“程序RAM”窗口顯示的程序進行刷新。刷新完后，再查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令程序是否一致，若不一致，則要檢查用戶接線是否正確或?qū)嶒瀮x其他問題。6 然后再檢查實驗儀ROM的內(nèi)容，單擊“程序ROM” 打開該窗口，查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令的地址和內(nèi)容是否一致，若不一致，重復4的操作，若一致，就單擊菜單欄中“調(diào)試”菜單，然后選擇并單擊“刷新數(shù)據(jù)”或按“F5”熱鍵對“程序ROM”窗口顯示的程序進行刷新。刷新完后，再查看此時顯示的地址和內(nèi)容與實驗程序中機器指令程序是否一致，若不一致，則要檢查用戶接線是否正確或?qū)嶒瀮x其他問題。

12、7 經(jīng)過上面5、6操作的檢查后，若程序正確，就可以運行程序。（2）運行程序時要求：1 程序運行前必須要求對微地址清零。撥動實驗儀右下角清零開關(guān)CLR（1-0-1）后，觀看實驗儀右上方的微地址顯示燈（UA0-UA5）是否全為零，若全為零，則正確，若不全為零，說明有問題，要檢查。2 使用單步微指令運行程序，單擊該系統(tǒng)第三行的“單步微指令”圖標即可。3 在每次單步執(zhí)行一條微指令的過程中，都要觀察屏幕動態(tài)流線顯示的運行結(jié)果，根據(jù)屏幕顯示的結(jié)果分析該條微指令的格式和功能是否一致。若不一致，必須檢查原因。（3）記錄程序運行過程的數(shù)據(jù)和結(jié)果，并；回答下面問題：1執(zhí)行輸入指令時，要求：a.寫出輸入指令由哪些微

13、指令組成。答：那些輸入指令是由SWR0微指令組成。b.在微地址Addr=(02(N)時,在實驗儀左下方“INPUT DEVICE”的8位數(shù)據(jù)開關(guān)D7D0輸入數(shù)據(jù),并記錄輸入數(shù)據(jù)=(0000 0001)。c.在微地址Addr=（10（N）時，觀察屏幕下方顯示的微指令信息表，記錄2：4譯碼器輸入端A9、A8的狀態(tài)（0或1），填入括號里。A9=（0），A8=（0）。d.根據(jù)記錄的A9、A8狀態(tài)，分析此時應(yīng)該選中哪個三態(tài)門的控制信號？為什么？答：此時應(yīng)該選中SW-B三態(tài)門的控制信號，因為需要通過“INPUT DEVICE”的8位數(shù)據(jù)開關(guān)D7D0輸入數(shù)據(jù)。e.執(zhí)行完輸入指令，即微地址Addr=（01（N

14、）時，記錄輸入的數(shù)據(jù)存入哪個寄存器（R0）。2 執(zhí)行加法指令（ADD）時，要求：a.寫出加法指令由哪些微指令組成。答：加法指令由PCAR PC+1；RAMBUS BUSAR；RAMBUS BUSDR2；R0DR1；（DR1）+（DR2）R0五條微指令組成。b.在微地址Addr=(05(N)時,是執(zhí)行哪條微指令？該條微指令完成什么操作，與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致否？記錄DR2=（01）。答：在微地址Addr=（05（N）時，是執(zhí)行R0DR1微指令；該條微指令完成將R0寄存器中的內(nèi)容存入DR1的操作；與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致；DR2=（01）。c.在微地址Addr=（06（N）時，是執(zhí)行哪條

15、微指令？該條微指令完成什么操作，與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致否？記錄DR1=（01）。同時，觀察觀察屏幕下方顯示的微指令信息表，記錄S3、S2、S1、S0、M、Cn的狀態(tài)（0或1），填入括號里。即S3S0=（1001）、M=（0）、Cn=（1）。答：在微地址Addr=（06（N）時，是執(zhí)行（DR1）+（DR2）R0微指令；該條微指令完成將DR1與DR2的內(nèi)容相加，并把結(jié)果存入到R0的操作；與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致；此時DR1=（01）；S3S0=（1001）、M=（0）、Cn=（1）。d.根據(jù)記錄的S3S0以及M和Cn的狀態(tài)，分析哪幾個信號表示加法？該加法指令屬于算術(shù)加還是邏輯加，有進位否

16、？答：信號S3S0=（1001）表示加法；該加法指令屬于算術(shù)加；有進位。e. 在微地址Addr=(01(N)時,是執(zhí)行哪條微指令？該條微指令完成什么操作，與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致否？記錄R0=（02）。分析R0的內(nèi)容是哪兩個數(shù)相加的結(jié)果，正確否？在輸出運算結(jié)果時輸出三態(tài)門控制信號ALU-B是有效還是無效，為什么？答：在微地址Addr=(01(N)時，是執(zhí)行PCAR，PC+1微指令；該條微指令完成將PC的內(nèi)容送到地址寄存器AR并將PC加1的操作；與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致；此時R0=（02）；R0是DR1的內(nèi)容與DR2的內(nèi)容相加的結(jié)果，結(jié)果正確；在輸出運算結(jié)果時輸出三態(tài)門控制信號ALUB有

17、效，因為要輸出運算結(jié)果必須打開ALUB。3 執(zhí)行傳送指令（STA）時，要求：a. 寫出傳送指令（STA）由哪些微指令組成。答：傳送指令（STA）是由PCAR PC+1，RAMBUS BUSAR，R0BUS BUSRAM 3條微指令組成。b. 寫出傳送（STA）指令的功能。答：傳送（STA）指令的功能是把R0中的內(nèi)容寫入指定的RAM單元中。c.在微地址Addr=（15（N）時，觀察屏幕下方顯示的微指令信息表，記錄WE、A9、A8的狀態(tài)（0或1），填入括號里，即WE=（1），A9=（0），A8=（1），為下一步分析做準備。答：在微地址Addr=（15（N）時，WE=（1），A9=（0），A8=（1

18、）。d. 在微地址Addr=（01（N）時，是執(zhí)行哪條微指令？該條微指令完成什么操作，與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致否？記錄此時屏幕顯示AR=（05），RAM=（30），根據(jù)實驗程序例子中STA指令的要求，驗證AR和RAM所顯示的內(nèi)容正確否？根據(jù)記錄的WE、A9、A8的狀態(tài)，分析此時寫信號WE和片選信號CE是有效還是無效，為什么？答：在微地址Addr=(01(N)時，是執(zhí)行PCAR，PC+1微指令；該條微指令完成將PC的內(nèi)容送到地址寄存器AR并將PC加1的操作；與屏幕動態(tài)流線顯示的結(jié)果一致；AR與RAM所顯示的內(nèi)容正確；此時寫信號WE和片選信號CE有效；因為只有片選信號CE有效才能確定所要寫的內(nèi)

19、存單元，只有寫信號WE有效才能對所選的單元進行寫操作。4 執(zhí)行輸出指令（OUT）時，要求：a. 寫出傳送指令（OUT）由哪些微指令組成。答：傳送指令（OUT）由PCAR PC+1，RAMBUS BUSAR，RAMBUS BUSDR1，DR1LED微指令組成。b. 寫出該條指令的功能。答：該條指令的功能是將指定的RAM單元中的內(nèi)容送到BUS上。c.在微地址Addr=(01(N)時, 觀察屏幕上“OUTPUT”方框中顯示的數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗程序例子中OUT指令的要求，驗證“OUTPUT”方框中的數(shù)據(jù)正確否？將“OUTPUT”方框中的數(shù)據(jù)填入括號（02）里。答：“OUTPUT”方框中的數(shù)據(jù)正確；“OUT

20、PUT”方框中的數(shù)據(jù)為（02）。5 執(zhí)行無條件轉(zhuǎn)移指令（JMP），要求：a. 寫出無條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）由哪些微指令組成。答：無條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）由PCAR PC+1，RAMBUS BUSPC指令組成。b. 寫出該條指令的功能，在執(zhí)行無條件轉(zhuǎn)移指令時，所指定的轉(zhuǎn)移地址是屬于機器指令地址還是微指令地址？答：該條指令的功能是使正在執(zhí)行的指令無條件轉(zhuǎn)移到指定的地址；所指定的轉(zhuǎn)移地址是屬于機器指令地址。c.在微地址Addr=(01(N)時, 觀察屏幕上“PC= ”的方框中顯示的數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗程序例子中JMP指令的要求轉(zhuǎn)移地址，驗證該數(shù)據(jù)是否程序指定轉(zhuǎn)移的地址？并將PC值填入括號里。PC=（00）。答：該數(shù)據(jù)是程序指定轉(zhuǎn)移的地址；PC=（00）。6 上面程序的運行中，為什么每執(zhí)行完一條機器指令，微地址都要返回到01？答：因為每執(zhí)行完一條機器指令，都要讀取PC的值來順序獲得下一條機器指令的地址。7 在每一條機器指令的執(zhí)行過程中，第一個CPU周期，即取指令階段是由哪些微指令組成？它們完成了什么操作？答：在每一條機器指令的執(zhí)行過程中，第一個CPU周期，都是由PCAR PC+1，RAMBUSBUSIR，P（1）微指令組成；它們完成取指操作并指定下一條機器指