計算機組成原理中斷實驗報告

1、2015/2016 學(xué)年第二學(xué)期課程設(shè)計課程名稱計算機組成原理綜合實驗設(shè)計題目 微程序控制器設(shè)計與實現(xiàn)系 別電信學(xué)院計算機系班級計141學(xué)生姓名艾尼瓦爾阿布力米提學(xué)號完成日期 二Q一六年七月八日星期五成 績指導(dǎo)教師（簽名）計算機組成綜合實驗任務(wù)書指導(dǎo)教師姓 名王懷秀系計算機任務(wù)微程序控制器的設(shè)計與 實現(xiàn)人數(shù)32學(xué)時1周實驗?zāi)康?.融合貫通計算機組成原埋課程，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(shè)計方法和實現(xiàn)原理，具備初 步的獨立設(shè)計能力；3.掌握較復(fù)雜微程序控制器的設(shè)計、調(diào) 試等基本技能；提高綜合運用所學(xué)理

2、論知識獨立分析和解決 問題的能力。實驗任務(wù)?基于TEC-9教學(xué)實驗平臺基于原有指令集的基礎(chǔ)上設(shè)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(chǔ)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(shè)計的微指令，實現(xiàn)指令預(yù)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(chǔ)上自行設(shè)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

3、要求是否一致。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?zāi)康? .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(shè)計方法和實現(xiàn)原理，具備初步的獨立設(shè)計能力；3.掌握較復(fù)雜微程序控制器的設(shè)計、調(diào)試等基本技能；提 高綜合運用所學(xué)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CPUS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、單個中

4、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;=CLK1;IE := CLR & INTS # CLR & IE & !INTC;=MF;INTQ = IE & INTR1;其中，CLK1是TIMER停生的時鐘信號，它主要是作為W什W4勺時鐘脈沖， 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微指令位是INTC 機器指令執(zhí)行過程中

5、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(dāng)INTS = 1時，在下一個 MF的上升沿IE變1,當(dāng)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(fù)位信號 CLR#當(dāng) CLR= 0時，在下一個CLK1的上升沿IE變0。當(dāng)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INTR。INTR1是INTR經(jīng)時鐘CLK1同步后產(chǎn)生的，目的是保 持INTR1與實驗臺的時序信號同

6、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(dāng)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(shè)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炳個信號輸入端，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_BUS為0 時，保存在IAR中的

7、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(wù)程序的入口地址，在本實驗儀中由8位數(shù)碼開關(guān) SW7- SW0I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0F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則繼續(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INTG保存斷點信號LDIAR并且發(fā)出停機 信號TJ,等待手動設(shè)置中斷向量。設(shè)置好 SWASWOf,按QDfe鈕啟動，機 器將

8、中斷向量讀入程序計數(shù)器 PC中，從而轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序去執(zhí)行。執(zhí)行一條機器指令I(lǐng)RET,從中斷服務(wù)子程序返回時，發(fā)出IAR_BUS偌 號，從中斷地址寄存器IAR向數(shù)據(jù)總線DBUSt出斷點地址，再從DBU強次 寫入到R4 PC中，恢復(fù)執(zhí)行被中斷的程序。發(fā)生中斷時，關(guān)中斷由硬件負責(zé)，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(fù)由中斷服務(wù)程序來處理。實驗任務(wù)（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(wù)程序手工匯編成十六進制機器代碼，此項任務(wù)應(yīng)在預(yù)習(xí)時完成。主程序：地址指令機器代碼20HINTS21HLDA R0,R222HADD RO,RO23HADD

9、 RO,RO24HADD RO,RO25HADD RO,RO26HADD R0,R027HADD R0,R028HADD R0,R029HJMP R1中斷服務(wù)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(yīng)仔細檢查接線，確認無誤。(3)將上述任務(wù)(1)的程序代碼存入內(nèi)存中，并根據(jù)需要設(shè)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(yīng)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，用單拍(DB方式執(zhí)行，直到返回主程

10、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(fù)執(zhí)行(4)兩次。(一共執(zhí)行3次)(6)將RAM 20H單元的內(nèi)容由指令I(lǐng)NTS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20HINTS0BH21HLDA R0,R258H22HADD R0,R000H23HADD R0,R000H24HADD R0,R000H25HADD R0,R000H26HADD R0,R000H27HADD R0,R000H28HADD R0,R000H29HJMP R184H中斷服務(wù)程序:地址指令機器代碼0A0HAND

11、R0,R030H0A1HIRET0A0H2、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(shè)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 LDP霞 LDR4 LDDR1® LDDR2 M1 接 M2LDARlg LDAR2b、指令寄存器IR的輸出IR0接雙端口寄存器堆的 RD0 WR0IR1接RD1WR1 IR2 接 RS0 IR3 接 RStC、單月沖DMC接中斷INTR選擇開關(guān)拔至“微程序”3、存程序機器代碼，設(shè)置通用寄存器 R1、R2及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。(1)、設(shè)置寄存器R1、R2的值根據(jù)要求，設(shè)置R1 = 21H, R2的

12、值由實驗者自定，假定為10H1)、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 KLDD按CLR酸鈕， 使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。1)、在SW-SW0上設(shè)置一個存儲器地址，該存儲器地址供設(shè)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(shè)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(shè)置為0FFH按一次QD®鈕，將0FFH寫入AR1和AR22) 在SWLSW0t設(shè)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SW干SW股置21H,按一

13、次QD®鈕，將21H寫入IR指定的R1寄 存器。4) 在SWASW0t設(shè)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SW干SW股置10H 作為R2的值。按一次 QD®鈕，將10H寫入IR指定的R2寄存器。6) 設(shè)置R1、R2結(jié)束，按CLR酸鈕，使實驗系統(tǒng)恢復(fù)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0A0H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酸鈕， 使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2）置 SW7 SW（fe 10H,按 QDfe鈕，將 10H 寫入 AR1。3）置SW7SW0為01H,按QDfe鈕，將01H寫入存儲器10H單元。寫主程序1）按CLR骸鈕，使實驗系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。2）置 SW7 SW（fe 20H,按 QDfe鈕，將 20H 寫入 AR1。3）置SW*SW0為0B0H,按QDK鈕，將0B0H寫入存儲器20H單元。AR1 自動加1, 變?yōu)?21H。4）置SW干SW的58H,按QD$鈕，

15、將58H寫入存儲器21H單元。AR1 自動加1, 變?yōu)?22H。5）重復(fù)進行下去，一直到將84H寫入存儲器29H單元。按CLR版鈕，使 實驗系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。寫中斷程序1）置 SW7SW（fe 0A0H 按 QD$鈕，將 0A0H寫入 ARt2）置SW7 SW0為30H,按QDfe鈕，將30H寫入存儲器0A0H單元。3）置SW7- SW0 0A0H按QD$鈕，將0A0唁入存儲器0A1H單元4）按CLR骸鈕，使實驗系統(tǒng)恢復(fù)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（DB

16、方式執(zhí)行，直到返回主程序為止。列表記錄中斷系統(tǒng)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SW7SW朋20H,作為程序的起始地址。按 QD$鈕，啟動程序從20H地址運行。中斷允許指示燈亮。3）按INTR按鈕，發(fā)出一個INTR中斷脈沖，請求中斷。中斷后硬件自動將中斷地址存入中斷地址寄存器IAR。微程序地址應(yīng)為25Ho4）置SW戶SW的0A0H這是中斷程序的入口地址。 將DP由置0改為置1。按一次QD$鈕，將0A0H送入程序計數(shù)器PG微程序地址應(yīng)為26H。5）按一次QDg鈕，進行取指微操作。微程序地址應(yīng)為 05Ho6）按一次QDg鈕，進行

17、置數(shù)微操作。微程序地址應(yīng)為13H7）按一次QD$鈕，進行R0 & R0操作，這時微程序地址應(yīng)為38H觀察DBU盅線的值，即為R0的值。8）按一次QD$鈕，進行寫回微操作。微程序地址應(yīng)為 34Ho9）按一次QD®鈕，進行判定有無中斷請求INTQ微操作。微程序地址應(yīng)為 0FH。10）按一次QD$鈕，進行取指微操作。微程序地址應(yīng)為 05Ho11 ）按一次QDK鈕，進行從中斷程序返回主程序微操作。微程序地址應(yīng)為1AH這時觀察PC地址，即中斷地址12）按一次QD®鈕，進行判有無新的中斷操作。微程序地址為 0FH13）按一次QD®鈕，進行取指微操作。微程序地址為 05

18、H此刻，程序 已返回主程序。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RAMfr 20H單元的內(nèi)容由指令I(lǐng)NTS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(dāng)前指令CM4CM3CM2CM1CM0LDA R0, R207H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHLDA R1, R307H10H00H04H0

19、0H05H05H10H00H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHADD RQ R107H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H10H10H20H00H00H3BH3BH14H82H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHJC +507H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H19H10H00H00H00H0FHAND R2 R307H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H13H10H20H00H00H38H38

20、H0DH82H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHSUB R3, R207H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H11H10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHSTA R3, R207H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H14H10H21H04H00H35H35H10H06H00H00H0FHSTP07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H16H30H00H00H00H0FHJMP R107H10H00H04H00H05H05H

21、10H00H04H91H10H18H10H01H01H20H0FHINTS00H30H00H02H08H26H07H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H1AH10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHIRET07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H1BH10H00H41H20H0FH2 .拓展控制器信號表指令CM4CM3CM2CM1CM0XOR Rd Rs10H10H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H31H0BH02H20H00H34H

22、00H12H00H00H0FHINC Rd, Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H32H00H02H20H00H34H00H12H00H00H0FHDEC Rc| Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H33H17H82H20H00H34H00H12H00H00H0FHF=A+B Rd, Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H24H0EH02Hint20H/ OFH00H00H34H00H12H00H0FHLDAR2KT00HINTQ=0流程圖07HP3CN#INTQ=1P126HTJ,CN# LDIAR INTC