基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、南 京 曉 莊 學(xué) 院信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理 課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱： 基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 年級(jí)專業(yè)班級(jí)：14 級(jí) 計(jì)算機(jī) 專業(yè)專本1班 班級(jí)學(xué)號(hào)： 14131521 姓名： 殷宇翔 學(xué)號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 姓名： 時(shí)間： 2016 年 12 月 10 日一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求?、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)造一臺(tái)基本模型實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)。 2、設(shè)計(jì)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、器件及環(huán)境：儀器設(shè)備名稱規(guī)格型號(hào)編號(hào)備注計(jì)算機(jī)組成原理系統(tǒng)DWCC-C8JH20112055三、實(shí)驗(yàn)方法、原理： 部件實(shí)驗(yàn)過程中，

2、各部件單元的控制信號(hào)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(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，實(shí)驗(yàn)計(jì)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(gè)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(gè)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(chǔ)器的讀、寫和運(yùn)行 為了向主存儲(chǔ)器RAM中裝入程序或數(shù)據(jù)，并且檢查寫入是否正確以及能運(yùn)行主存儲(chǔ)器中的程序，必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制操作微程序。 ·存儲(chǔ)器讀操作：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWC、SWA為“0 0”時(shí)，按要求連線后，連續(xù)按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可對主存儲(chǔ)器

3、RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。 ·存儲(chǔ)器寫操作：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWC、SWA為“0 1”時(shí)，按要求連線后，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可對主存儲(chǔ)器RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫入。 ·運(yùn)行程序：撥動(dòng)總清開關(guān)后，置控制開關(guān)SWC、SWA為“1 1”時(shí)，按要求連線后，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。 上述三條控制指令用兩個(gè)開關(guān)SWC、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下： SWCSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存寫內(nèi)存啟動(dòng)程序 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(shí)，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

4、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(shí)別所要求的操作。“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)制代碼開關(guān)KD0KD7，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(shí)，二進(jìn)制開關(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，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(hào)（W/R）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示

5、。 設(shè)計(jì)指令 根據(jù)基本模型機(jī)的硬件設(shè)計(jì)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 IN 00000000 ；“外部開關(guān)量輸入”KD0KD7的開關(guān)狀態(tài)R0 ADD addr0001 0000 ×××× ××××；R0+addrR0 STA addr 0010 0000 ×××× ××××； R0addr OUT addr 0011

6、0000 ×××× ××××； addrBUS JMP addr 01000000 ×××× ××××； addrPC 說明： 指令I(lǐng)N為單字節(jié)指令，其余均為雙字節(jié)指令， ××××××××為addr對應(yīng)的主存儲(chǔ)器二進(jìn)制地址碼。 基本模型機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì) 本模型機(jī)監(jiān)控軟件主要完成從輸入設(shè)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(gè)單元，最后通過輸出設(shè)備

7、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 00000000 00000000IN；“INPUTDEVICE”R0 00000001 00010000ADD0AH； R00AHR0 00000010 00001010 00000011 00100000STA0BH； R00BH 00000100 00001011 00000101 00110000OUT0BH； 0BHBUS 00000110 00001011 00000111 01000000JMP00H ； 00HPC 00001000 00000000 00001001 00001010 00000001；自定義參加運(yùn)算的

8、數(shù) 00001011 ；求和結(jié)果存放單元 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(shí)，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I7I4作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元。 實(shí)驗(yàn)機(jī)控制操作為P（4）測試，它以控制開關(guān)SWC、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，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。 注意：微程序流程圖上的單元地址

9、為16進(jìn)制。 （2）根據(jù)微程序流程圖設(shè)計(jì)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(jì)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。 運(yùn) 行 微 程 序圖 3.7.2 微程序流程圖OUTPCAR0BPC+1RAMBUS0EBUSARRAMBUS0FBUSDR1DR1LED1501JMPPCAR0CPC+1RAMBUS16BUSPC01ADDPCAR09PC+1RAMBUS03BUSAR04RAMBUSBUSDR205RODR106(DR1)+(DR2)01ROSWR008IN0101PCARPC+1

10、02RAMBUSBUSIRP(1)08STAPCAR0APC+1RAMBUS07BUSARROBUS0DBUSRAM01控 制器00十六進(jìn)制微地址P(4)10(SWC SWA)KRD(00)RP(11)1301PCARPC+110RAMBUSBUSDR112DR1LED17KWE(01)DR1RAM18PCARPC+111(SW)BUSBUSDR114監(jiān)控程序的16進(jìn)制文件格式（文件名C8JHE1）： 程序： P00 00 P01 10 P02 0AP03 20P04 0BP05 30P06 0BP07 40P08 00P0A 01微程序：M00 108105M01 82ED05M02 48C

11、004M03 04E004M04 05B004M05 06A205M06 019A95M07 0DE004M08 011004M09 83ED05M0A 87ED05M0B 8EED05M0C 96ED05M0D 018206M0E 0FE004M0F 15A004M10 92ED05M11 94ED05M12 17A004M13 018005M14 182004M15 010A07M16 81D104M17 100A07M18 118A06表3.7.1 二進(jìn)制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE B1 B0ABCUA5UA0000 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 00

12、 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070

13、0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1080 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1090 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 10 A0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 10B0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 00C0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 00D0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 00

14、0 10 0 00 0 0 0 0 10E0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 10F0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1100 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0110 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0120 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1130 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1140 0

15、 0 0 0 1 0 0 0 0 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0150 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1160 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 11 70 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0180 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1（3）讀寫程序 手動(dòng)方法寫微程序參看實(shí)驗(yàn)六。 手動(dòng)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 28

16、16芯片后，再進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。 A. 將“編程開關(guān)”置“運(yùn)行”位置，“運(yùn)行控制”開關(guān)置“運(yùn)行”位置，“運(yùn)行方式”開關(guān)置“單步”位置。 B. 撥動(dòng)總清開關(guān)（01），微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制開關(guān)SWC、SWA開關(guān)置為“0 1”，按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示“010001”，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示“010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(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(huì)自動(dòng)加1，所以，每次按

17、動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，只有在微地址燈顯示“010100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。 C. 寫完程序后須進(jìn)行檢驗(yàn)。撥動(dòng)總清開關(guān)(01)后，微地址清零，PC程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制開關(guān)SWC、SWA為“0 0”,按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈將顯示“010000”，再按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈顯示為“010010”，第三次按“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，微地址燈顯示為“010111”，此時(shí)總線數(shù)據(jù)顯示燈LZD0LZD7顯示為該首地址的內(nèi)容，再按動(dòng)一次“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(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(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(guān)，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。 注意：每次僅在微地

18、址燈顯示為“010000”時(shí)，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. “編程開關(guān)”置“運(yùn)行”狀態(tài)，“運(yùn)行方式”開關(guān)置為“單步”狀態(tài),“運(yùn)行控制”開關(guān)置為“運(yùn)行”狀態(tài)。 B. 撥動(dòng)總清開關(guān)(01)，微地址清零，PC計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為00H。 C. 按動(dòng)“啟動(dòng)運(yùn)行”開關(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(dòng)總清開關(guān)，清微地址及PC計(jì)數(shù)器，按動(dòng)“啟動(dòng)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