計算機組成原理中斷實驗報告

1、北京建筑大學2015/2016 學年第二學期課程設計課程名稱計算機組成原理綜合實驗設計題目微程序控制器設計與實現(xiàn)系 別班級計141學生姓名艾尼瓦爾阿布力米提學號完成日期 二一六年七月八日星期五成 績 指導教師（簽名）計算機組成綜合實驗任務書指導教師姓 名王懷秀系計算機任務微程序控制器的設計與 實現(xiàn)人數(shù)32學時1周實驗目的1.融合貫通計算機組成原理課程，加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系（寄存器堆、運算器、存儲器、控制臺、微程序控制器）。2.理解并掌握微程序控制器的設計方法和實現(xiàn)原理，具備初 步的獨立設計能力；3.掌握較復雜微程序控制器的設計、調(diào) 試等基本技能；提高綜合運用所學理論知識獨

2、立分析和解決 問題的能力。實驗任務?基于TEC-9教學實驗平臺基于原有指令集的基礎上設計或擴展48條指令。首先在原微程序控制器指令系統(tǒng)的基礎上進 行原指令集的微指令編碼的測試，然后利用上端軟件，編寫 用戶設計的微指令，實現(xiàn)指令預定的功能。實驗步驟? 1、進行原實驗平臺指令集的微程序控制器下指令運行測試；? 2、記錄每一條機器指令的指令的執(zhí)行流程和微命令編碼；? 3、畫出每一條指令的指令微程序執(zhí)行流程圖；? 4、在原有指令集基礎上自行設計或擴展 48條指令。畫出擴展指令的指令執(zhí)行流程圖；? 5、利用上端軟件，把所編寫的微程序控制器內(nèi)容寫入實驗臺中控制器中。? 6、利用單拍測試控制器與編程的要求是

3、否一致。如果有錯誤重新修改后再寫入控制器中。7、編寫一段測試程序，測試控制器運行是否正確? 實驗目的1融合貫通計算機組成原理課程， 加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原 理及相互聯(lián)系 （寄存器堆、 運算器、存儲器、控制臺、微程序控制器）。2理解并掌握微程序控制器的設計方法和實現(xiàn)原理， 具備初步的獨立 設計能力； 3掌握較復雜微程序控制器的設計、調(diào)試等基本技能；提 高綜合運用所學理論知識獨立分析和解決問題的能力。? 實驗電路1. 微指令格式與微程序控制器電路2. 微程序控制器組成仍然使用前面的CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗的電路圖， 但本次實驗加入中斷系統(tǒng)。這是一個簡單的中斷系統(tǒng)模型，只支持單級中斷、單

4、個中斷請求，有中斷屏蔽功能，旨在說明最基本的原理。中斷屏蔽控制邏輯分別集成在 2片GAL22V10（TIMER1和TIMER2中。其ABEL語言表達式如下：INTR1 := INTR;INTR1.CLK = CLK1;IE := CLR & INTS # CLR & IE & !INTC;IE.CLK= MF;INTQ = IE & INTR1;其中，CLK1是TIMER產(chǎn)生的時鐘信號，它主要是作為WW4的時鐘脈沖，這里作為INTR1的時鐘信號，INTE的時鐘信號是晶振產(chǎn)生的 MF INTS微指 令位是 INTS 機器指令執(zhí)行過程中從控制存儲器讀出的， INTC

5、 微指令位是INTC 機器指令執(zhí)行過程中從控制存儲器讀出的。 INTE 是中斷允許標志，控 制臺有一個指示燈 IE 顯示其狀態(tài)，它為 1 時，允許中斷，為 0 時，禁止中 斷。當INTS = 1時，在下一個 MF的上升沿IE變1,當INTC = 1時，在下 一個MF的上升沿IE變0。CLR信號實際是控制臺產(chǎn)生的復位信號 CLR#當 CLR二0時，在下一個CLK1的上升沿IE變0。當CLR=1且INTS = 0且INTC =0時，IE保持不變。INTR 是外部中斷源，接控制臺按鈕INTR。按一次INTR按鈕，產(chǎn)生一個 中斷請求正脈沖INTRO INTR1是INTR經(jīng)時鐘CLK1同步后產(chǎn)生的，目的

6、是保 持INTR1與實驗臺的時序信號同步。INTR脈沖信號的上升沿代表有外部中斷 請求到達中斷控制器。INTQ是中斷屏蔽控制邏輯傳遞給 CPU勺中斷信號，接 到微程序控制器上。當收到INTR脈沖信號時，若中斷允許位INTE=0，則 中斷被屏蔽，INTQ仍然為0;若INTE = 1,則INTQ = 1。為保存中斷的斷點地址,以便中斷返回,設置了一個中斷地址寄存器IAR。第二節(jié)圖4中的IAR(U19)就是這個中斷地址寄存器，它是一片74HC374 有LDIAR和IAR_BUS兩個信號輸入端，均連接至微程序控制器。LDIAR信號 的上升沿到達時，來自程序計數(shù)器 PC的地址會置入IAR中。IAR_BU

7、S為0 時，保存在IAR中的斷點地址會輸出到數(shù)據(jù)總線 DBUS1。由于本實驗系統(tǒng) 只有一個斷點寄存器而無堆棧,因此僅支持一級中斷而不支持多級中斷。中斷向量即中斷服務程序的入口地址，在本實驗儀中由8位數(shù)碼開關(guān)sw SW0提供。3. 中斷的檢測、執(zhí)行和返回過程微程序控制器每執(zhí)行一條機器指令之后,執(zhí)行下一條機器指令之前,先 轉(zhuǎn)到微地址OF處（見圖12微程序流程圖），在條件位P1 = 1時判斷是否有中 斷請求INTQ如果沒有INTQ貝卩繼續(xù)正常的機器指令執(zhí)行。若檢測到中斷 請求INTQ首先發(fā)出關(guān)中斷信號INTC保存斷點信號LDIAR并且發(fā)出停機 信號TJ,等待手動設置中斷向量。設置好 SW SW（后，

8、按QD按鈕啟動，機 器將中斷向量讀入程序計數(shù)器 PC中，從而轉(zhuǎn)到中斷服務子程序去執(zhí)行。執(zhí)行一條機器指令IRET,從中斷服務子程序返回時，發(fā)出IAR_BUS信 號，從中斷地址寄存器IAR向數(shù)據(jù)總線DBUS輸出斷點地址，再從DBU9依次 寫入到R4 PC中，恢復執(zhí)行被中斷的程序。發(fā)生中斷時，關(guān)中斷由硬件負責，而中斷現(xiàn)場 （寄存器堆中的寄存器，進位標志C）的保存和恢復由中斷服務程序來處理。?實驗任務（1）了解中斷系統(tǒng)中每個信號的意義和變化條件，并將下面的主程序 和中斷服務程序手工匯編成十六進制機器代碼，此項任務應在預習時完成。主程序：地址指令機器代碼20HINTS21HLDA R0,R222HADD

9、 R0,R023HADD R0,R024HADD R0,R025HADD R0,R026HADD R0,R027HADD R0,R028HADD R0,R029HJMP R1中斷服務程序:地址指令機器代碼0A0HAND R0,R00A1HIRET（2）參考CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗，再加上中斷系統(tǒng)，完成本次 實驗的線路連接。接通電源之前應仔細檢查接線，確認無誤。（3）將上述任務（1）的程序代碼存入內(nèi)存中，并根據(jù)需要設置通用寄 存器組和內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。其中，寄存器R1的值應置為21H以便程序 循環(huán)執(zhí)行。（4） 從地址20H執(zhí)行程序，在程序運行中，按一次控制臺的 INTR。進 入中斷后，用單

10、拍（DP方式執(zhí)行，直到返回主程序為止。列表記錄中斷系 統(tǒng)中有關(guān)信號的變化情況，特別要紀錄好斷點地址和R0的值。（5）重復執(zhí)行（4）兩次。（一共執(zhí)行3次）（6）將RAM中 20H單元的內(nèi)容由指令INTS改為INTC,重作（4）,記錄 發(fā)生的現(xiàn)象。六、實驗步驟和實驗結(jié)果1、實驗程序主程序：地址指令機器代碼20HINTSOBH21HLDA R0,R258H22HADD RO,ROOOH23HADD RO,ROOOH24HADD RO,ROOOH25HADD RO,ROOOH26HADD RO,ROOOH27HADD RO,ROOOH28HADD RO,ROOOH29HJMP R184H中斷服務程序:

11、地址指令機器代碼OAOHAND RO,RO3OHOA1HIRETOAOH2、接線微程序控制器與數(shù)據(jù)通路之間的線可以通過選擇開關(guān)直接選擇。將開關(guān)設置為“微程序”。只需連接數(shù)據(jù)通路部分的線。a、數(shù)據(jù)通路的 LDIR接 CER LDPC接 LDR4 LDDR接 LDDR2 M1 接 M2LDAR1接 LDAR2b、 指令寄存器IR的輸出IR0接雙端口寄存器堆的 RDOWR0IR1接RD1WR1 IR2 接 RSO IR3 接 RStC、單脈沖DMC接中斷INTR選擇開關(guān)拔至“微程序”3、存程序機器代碼，設置通用寄存器 R1、R2及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。（1）、設置寄存器R1、R2的值根據(jù)要求，設置R1

12、 = 21H，R2的值由實驗者自定，假定為10H。1）、令DP= 0，DB= 0，DZ =0，使實驗系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)。令 SWB=1, SWA= 1,使實驗系統(tǒng)處于寄存器加載工作方式 KLD按CLR按鈕， 使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。1）、在SWSW0上設置一個存儲器地址，該存儲器地址供設置通用寄 存器使用。該存儲器地址最好是不常用的一個地址，以免設置通用寄存 器操作破壞重要的存儲器單元的內(nèi)容。例如可將該地址設置為OFFH按 一次QD按鈕，將0FFH寫入AR1禾口 AR22） 在SW SW（上設置01H,作為通用寄存器R1的寄存器號。按一次QD 按鈕，將01H寫入IR。3） 在SWSW（設置2

13、1H,按一次QD按鈕，將21H寫入IR指定的R1寄 存器。4） 在SW SW（上設置02H,作為通用寄存器R2的寄存器號。按一次QD 按鈕，將02H寫入IR。5） 在SWSWC設置10H,作為R2的值。按一次 QD按鈕，將10H寫入IR指定的R2寄存器。6）設置R1、R2結(jié)束，按CLR按鈕，使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。（2）、存程序機器代碼。本操作中，我們在10H單元存入01H（也可以是其他值），從20地址開始 存 10 個機器代碼： 0B0H， 58H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 84H。 從OAOH存入2個機器代碼：30H,0A0H。1）令 DP

14、= 0， DB= 0， DZ =0，使實驗系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)。令 SWB= 1，SWA = 0使實驗系統(tǒng)處于寫雙端口存儲器工作方式 KWRD按CLR#按鈕， 使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2）置SW SW（為10H,按QD按鈕，將10H寫入AR1。3）置SW SWO為01H,按QD按鈕，將01H寫入存儲器10H單元。寫主程序1）按CLR嵌鈕，使實驗系統(tǒng)恢復初始狀態(tài)。2）置SW SW（為20H,按QD按鈕，將20H寫入AR1。3）置SWSWO為0B0H按QD按鈕，將OBOH寫入存儲器20H單元。AR1 自動加 1, 變?yōu)?21H。4）置SWSW（為58H,按QD按鈕，將58H寫入存儲器21H單元。A

15、R1 自動加 1, 變?yōu)?22H。5）重復進行下去，一直到將84H寫入存儲器29H單元。按CLR膠鈕，使 實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。寫中斷程序1）置SW SW（為0A0H，按QD按鈕，將0A0H寫入AR12）置SW SWO為30H,按QD按鈕，將30H寫入存儲器0A0H單元。3）置SW SW0 OAOH按QD按鈕，將0A0H寫入存儲器0A1H單元。4）按CLR嵌鈕，使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)?；蛴脤嶒炁_監(jiān)控系統(tǒng)或系統(tǒng)上端軟件直接寫入內(nèi)容（3）從地址20H連續(xù)執(zhí)行程序從地址20H連續(xù)執(zhí)行程序，在程序運行中，按一次控制臺的INTR。進入 中斷后，用單拍（DP方式執(zhí)行，直到返回主程序為止。列表記錄中斷系

16、統(tǒng) 中有關(guān)信號的變化情況，特別要紀錄好斷點地址和R0的值。1）令 DP = 0， DZ = 0， DB = 0，使實驗系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)。2） 置SWSW（為20H,作為程序的起始地址。按 QD按鈕，啟動程序從 20H 地址運行。中斷允許指示燈亮。3）按INTR按鈕，發(fā)出一個INTR中斷脈沖，請求中斷。中斷后硬件自動 將中斷地址存入中斷地址寄存器IAR。微程序地址應為25Ho4）置SW SW（為0A0H這是中斷程序的入口地址。 將DP由置0改為置 1o按一次QD按鈕，將0A0H送入程序計數(shù)器PC微程序地址應為26H。5）按一次QD按鈕，進行取指微操作。微程序地址應為 05H6） 按一次QD按

17、鈕，進行置數(shù)微操作。微程序地址應為13H7）按一次QD按鈕，進行R0 & R0操作,這時微程序地址應為38H觀察 DBUS總線的值，即為R0的值。8）按一次QD按鈕，進行寫回微操作。微程序地址應為 34Ho9）按一次QD按鈕，進行判定有無中斷請求INTQ微操作。微程序地址應 為 0FH。10）按一次QD按鈕，進行取指微操作。微程序地址應為 05H11 ）按一次QD按鈕，進行從中斷程序返回主程序微操作。微程序地址應為1AH這時觀察PC地址，即中斷地址12） 按一次QD按鈕，進行判有無新的中斷操作。微程序地址為0FH13） 按一次QD按鈕，進行取指微操作。微程序地址為 05H此刻，程序 已

18、返回主程序。由于按下INTR按鈕的時間對主程序而言，是隨機的，具有不確定性，因 此各次中斷地址、R0會具有不同的值。將RAM中 20H單元的內(nèi)容由指令INTS改為INTC,重作（4）,記錄發(fā)生的 現(xiàn)象。由于INTC是關(guān)中斷指令，因此將不會發(fā)生中斷。（4）控制存儲器代碼表1微程序控制器信號表指令當前指令CM4CM3CM2CM1CM0LDA R0，R207H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHLDA R1，R307H10H00H04H00H05H05H10H00

19、H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHADD R0，R107H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H10H10H20H00H00H3BH3BH14H82H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHJC +507H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H19H10H00H00H00H0FHAND R2，R307H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H13H10H20H00H00H38H38H0DH82H20H00H

20、34H34H00H12H00H00H0FHSUB R3, R207H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H11H10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHSTA R3, R207H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H14H10H21H04H00H35H35H10H06H00H00H0FHSTP07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H16H30H00H00H00H0FHJMP R107H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H1

21、0H18H10H01H01H20H0FHINTS00H30H00H02H08H26H07H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H1AH10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHIRET07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H1BH10H00H41H20H0FH2.拓展控制器信號表指令CM4CM3CM2CM1CM0XOR Rd , Rs10H10H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H31H0BH02H20H00H34H00H12H00H00H

22、0FHINC Rd , Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H32H00H02H20H00H34H00H12H00H00H0FHDEC Rd , Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H33H17H82H20H00H34H00H12H00H00H0FHF=A+B Rd , Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H24H0EH02H INT20H丿 OFH00H34H00H12叮_00H00H0FH流程圖P126HINTQ=12.拓展程序流程圖05HXOR Rd,RsINC .RdF=1CN#21H22HLDASUBM1卷實驗結(jié)果3BH3AHCR2=02H4HR2=02HSTPIRETJCJMPBUSCN#C=