簡單模型機實驗報告

1、評語:課中檢查完成的題號及題數(shù)： 課后完成的題號與題數(shù)：成績:自評成績:實驗報告實驗名稱：簡單模型機實驗報告日期：班級：學(xué)號：姓名：一、實驗?zāi)康模?、掌握一個簡單CPU 的組成原理。2、在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進一步將其構(gòu)造一臺基本模型計算機。3、為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試掌握整機概念。二、實驗內(nèi)容：本實驗要實現(xiàn)一個簡單的CPU，并且在此CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個簡單的模型計算機。CPU 由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖2-1-1 所示。這個CPU 在寫入相應(yīng)的微指

2、令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU 必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該CPU 的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。圖1-4-1 基本CPU 構(gòu)成原理圖除了程序計數(shù)器（PC），其余部件在前面的實驗中都已用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程序計數(shù)器（PC）由兩片74LS161 和一片74LS245 構(gòu)成，其原理如圖1-4-2 所示。PC_B 為三態(tài)門的輸出使能端，CLR 連接至CON 單元的總清端CLR，按下CLR 按鈕，將使PC 清零，LDPC 和T2 相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當(dāng)LOAD 為低時，計數(shù)時鐘到來后將C

3、PU 內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入PC。圖1-4-2 程序計數(shù)器(PC)原理圖本模型機和前面微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉(zhuǎn)指令JMP，共有五條指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），HLT（停機），其指令格式如下（高位為操作碼）：助記符 機器指令碼 說明IN 0010 0000 INR0ADD 0000 0000 R0 + R0R0OUT 0011 0000 R0OUTJMP addr 1100 0000 * addr PCHLT 0101 0000 停機其中JMP 為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，*為addr 對應(yīng)的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是

4、通過手動給出的，現(xiàn)在要求CPU 自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。根據(jù)以上要求，設(shè)計數(shù)據(jù)通路圖，如圖1-4-3 所示。本實驗在前一個實驗的基礎(chǔ)上增加了三個部件，一是PC（程序計數(shù)器），另一個是AR（地址寄存器），還有就是MEM（主存）。因而在微指令中應(yīng)增加相應(yīng)的控制位，其微指令格式如表1-4-1 所示。圖1-4-3 數(shù)據(jù)通路圖系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖1-4-4 所示，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。指令譯碼原理見圖1-3-3 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> 的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的高6 位

5、（IR7IR2）作為測試條件，出現(xiàn)路分支，占用個固定微地址單元，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫，微程序流程圖上的單元地址為16 進制。當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表1-4-2 即為將圖1-4-2 的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。圖1-4-4 簡單模型機微程序流程圖表1-4-2 二進制微代碼表地址十六進制高五位S3-S0A字段B字段C 字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 70000100000

6、1110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 0100011000001100000000000133333328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013C00 6D 5D000000000110110101011101設(shè)計一段機器程序，

7、要求從IN 單元讀入一個數(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)容均為二進制數(shù)。地址內(nèi)容 助記符 說明0000000000100000; START: IN R0 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R00000000100000000; ADD R0,R0 R0 和自身相加，結(jié)果送 R00000001000110000; OUT R0 R0 的值送 OUT 單元顯示0000001111100000; JMP START 跳轉(zhuǎn)至 00H 地址00000100000000000000010101010000; HLT 停機三、項

8、目要求及分析：1.試修改現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，將加法指令的功能修改為R0的內(nèi)容和某個存儲單元的內(nèi)容相加；增加存數(shù)、取數(shù)和減法三條機器指令，指令助記符分別為 STA、LAD 和SUB，指令操作碼分別為十六進制的60、70和80。 四、具體實現(xiàn)：微程序流程圖：二進制代碼表地址十六進制高五位 S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D4300000000011011010100001103107072000100000111000001110010042060050010000001100000000001010520040100

9、1000000000010000000001062060070010000001100000000001110710300100010000001100000000000108006D790000000001101101011110010920600A0010000001100000000010100A10300B0001000000110000000010110B00240C00000000001001000000110032183001000110000011000000000001332804010010100000000100000000013500003500000000000000

10、000011010136006D8400000000011011010100010037006D86000000000110110101000110380014080000000000010100000010000C05B201000001011011001000000001微程序：地址內(nèi)容 說明0000000000100000; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R00000000100100000; 先讀地址再讀數(shù)據(jù),存入主存0000001001100000; 取出存入主存的數(shù)據(jù)00000011 00000000; R0的值送 OUT 單元顯示0000010000110000; 從 IN 單元讀入

11、數(shù)據(jù)送 R00000010111100000; 進行減法運算0000011000100000; R0的值送OUT單元顯示0000011100000000;0000100001100000; HLT停機編寫微程序：機器指令： $P 00 20 ; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0 $P 01 60 ; 先讀地址再讀數(shù)據(jù),存入主存 $P 02 70 ; 取出存入主存的數(shù)據(jù) $P 03 30 ; R0的值送OUT單元顯示 $P 04 20 ; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0 $P 05 80 ; 進行減法運算 $P 06 30 ; R0的值送OUT單元顯示 $P 07 00 ; $P 08 50 ;

12、HLT停機 微指令： $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107072 ; MEM->IR, P<1> $M 32 183001 ; IN->R0 $M 36 006D84 ; PC->AR,PC加1 $M 04 206005 ; AR->MEM $M 05 200401 ; R0->MEM $M 37 006D86 ; PC->AR,PC加1 $M 06 206007 ; AR->MEM $M 07 103001 ; MEM->R0 $M 33 280401

13、; R0->OUT $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107072 ; MEM->IR $M 32 183001 ; IN->R0 $M 38 001408 ; R0->A $M 08 006D79 ; PC->AR,PC加1 $M 09 20600A ; AR->MEM $M 0A 10300B ; MEM->R0 $M 0B 00240C ; R0->B $M 0C 05B201 ; A-B->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 00 000001 ; NOP六、所遇問題

14、及解決方法：（1）程序運行前必須對微地址清零。撥動實驗儀右下角清零開關(guān)CLR（101）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(biāo)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)果分析與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。七、實驗總結(jié)：通過本次實驗收獲豐富，在做這次實驗之前，通過深入的預(yù)習(xí)，理解了實驗原理、明確了實驗的目的，按部就班地連線，逐步完成了實驗的要求。在實驗過程中，我認真進行實驗操作和思考實驗有關(guān)的內(nèi)容，把自己不太明白的問題通過實驗理解清楚，取得了較好的實驗結(jié)果。通過這次實驗懂得了基本模型機設(shè)計與