計算機原理實驗四 CPU與簡單模型機設(shè)計實驗 操作步驟

1、5.1 CPU與簡單模型機設(shè)計實驗5.1.1 實驗?zāi)康?1) 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。5.1.2 實驗設(shè)備PC機一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。5.1.3 實驗原理本實驗要實現(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5-1-1所示。這個CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機器指令

2、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5-1-1 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）和地址寄存器（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相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當(dāng)LOAD為低時，計數(shù)時鐘到來后將CPU內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入PC。圖5-1-2 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

3、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）：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5-1-3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5-1-1所示。圖5-1-3 數(shù)據(jù)通路圖表5-1-1 微指令格式系統(tǒng)

4、涉及到的微程序流程見圖5-1-4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> 的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的高6位（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。圖5-1-4 簡單模型機微程序流程圖當(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“二進制微代碼表”。表

5、5-1-2 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 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 0100011000

6、00110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013C00 6D 5D000000000110110101011101設(shè)計一段機器程序，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00000000 00100000 ; START: IN R0 從IN單元讀入數(shù)據(jù)送R000000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，

7、結(jié)果送R000000010 00110000 ; OUT R0 R0的值送OUT單元顯示00000011 11100000 ; JMP START 跳轉(zhuǎn)至00H地址00000100 00000000 ; 00000101 01010000 ; HLT 停機5.1.4 實驗步驟1. 按圖5-1-5連接實驗線路。2. 寫入實驗程序，并進行校驗，分兩種方式，手動寫入和聯(lián)機寫入。1) 手動寫入和校驗(1) 手動寫入微程序 將時序與操作臺單元的開關(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SD05SD00給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次

8、按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 IN單元給出中8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中8位。IN單元給出高8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高8位。 重復(fù)、四步，將表5-1-2的微代碼寫入2816芯片中。圖5-1-5 實驗接線圖 (2) 手動校驗微程序 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為校驗檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST

9、，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0顯示該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15M8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，完成對微代碼的校驗。如果校驗出微代碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。(1) 手動寫入機器程序 將時序與操作臺單元的開關(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SD07SD00給出地址，IN單元給出該單元應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)

10、據(jù)寫到該存儲器單元。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 IN單元給出下一地址（地址自動加1）應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元中。然后地址會又自加1，只需在IN單元輸入后續(xù)地址的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，即可完成對該單元的寫入。 亦可重復(fù)、兩步，將所有機器指令寫入主存芯片中。(2) 手動校驗機器程序?qū)r序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為校驗檔，KK4置為主存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD07SD00給出地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)。

11、將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)。此后每兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行該操作，直至完成校驗，如發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回寫入，然后校驗，直至確認(rèn)輸入的所有指令準(zhǔn)確無誤。 亦可重復(fù)、兩步，完成對指令碼的校驗。如果校驗出指令碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認(rèn)指令碼的輸入無誤為止。2) 聯(lián)機寫入和校驗聯(lián)機軟件提供了微程序和機器程序下載功能，以代替手動讀寫微程序和機器程序，但是微程序和機器程序得以指定的格式寫入到以TXT

12、為后綴的文件中，微程序和機器程序的格式如下：本次實驗程序如下，程序中分號；為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉：; /*/; / /; / CPU與簡單模型機實驗指令文件 /; / /; / 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 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，結(jié)果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT單元顯示 $P 03 E0 ; JMP START 跳轉(zhuǎn)至00H地址 $P 04

13、 00 ; $P 05 50 ; HLT 停機; /* End Of Main Memory Data */; /* Start Of MicroController Data */ $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B $M 05 04B201 ; A加B->R0 $M 1D 105141 ; MEM->PC $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->

14、;R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP $M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1; /* End Of MicroController Data */選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇上面所保存的文件，軟件自動將機器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧＿x擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示，對照文件檢查微程序和機器程序是否正確，如果不正確，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨修改某個單元的指令，以修改微指令為例，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令

15、區(qū)的微存TAB按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。3. 運行程序方法一：本機運行將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為運行檔，按動CON單元的總清按鈕CLR，將使程序計數(shù)器PC、地址寄存器AR和微程序地址為00H，程序可以從頭開始運行，暫存器A、B，指令寄存器IR和OUT單元也會被清零。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK2置為單步檔，每按動一次ST按鈕，即可單步運行一條微指令，對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運行完一條微指令，觀測一次CPU內(nèi)總線和地址總線，對照數(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，按下CON單元的總清按鈕CLR，改變IN單元的值，再次執(zhí)行機