CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目CPU 與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2015年11月7日實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握一個(gè)簡(jiǎn)單CPU 的組成原理。(2) 在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。(3) 為其定義五條機(jī)器指令，編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TD-CMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 CPU，并且在此CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。CPU 由運(yùn)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(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖5-1-1 所示。這個(gè)CPU 在寫(xiě)入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器

2、指令的功能，但是機(jī)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(shí)際的意義，所以還需要在該CPU 的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。圖5-1-1 基本CPU 構(gòu)成原理圖除了程序計(jì)數(shù)器（PC），其余部件在前面的實(shí)驗(yàn)中都已用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程序計(jì)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，當(dāng)LOAD為低時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘到來(lái)后將CPU 內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入PC。如圖5-1-2所示。圖5-1-2 程序計(jì)數(shù)器(PC)原

3、理圖本模型機(jī)和前面微程序控制器實(shí)驗(yàn)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(jìn)制加法）、OUT（輸出）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），HLT（停機(jī)），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(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微程序控制器實(shí)驗(yàn)的指令是通過(guò)手動(dòng)給出的，現(xiàn)在要求CPU 自動(dòng)從存儲(chǔ)器讀取指令并執(zhí)行。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路圖，如圖5-1-3 所示。本實(shí)驗(yàn)在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)部件，一是PC（程序計(jì)數(shù)器），另一個(gè)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

4、示。圖5-1-3 數(shù)據(jù)通路圖表 5-1-1 微指令格式系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)圖5-1-4 所示，當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P<1>測(cè)試。指令譯碼原理見(jiàn)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(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的高6 位（IR7IR2）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)路分支，占用個(gè)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(gè)微地址單元隨意填寫(xiě)，微程序流程圖上的單元地址為16 進(jìn)制。圖5-1-4 簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表5-1-2 即為將圖

5、5-1-4 的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。表5-1-2 二進(jìn)制微代碼表設(shè)計(jì)一段機(jī)器程序，要求從IN 單元讀入一個(gè)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(jìn)制數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟1. 按圖5-1-5 連接實(shí)驗(yàn)線路。2. 寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)程序，并進(jìn)行校驗(yàn)，分兩種方式，手動(dòng)寫(xiě)入和聯(lián)機(jī)寫(xiě)入。1) 手動(dòng)寫(xiě)入和校驗(yàn)(1) 手動(dòng)寫(xiě)入微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)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

6、應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN 單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的低8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5 置為加1檔。 IN 單元給出中8 位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN 單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的中8 位。IN 單元給出高8 位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN 單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的高8 位。 重復(fù)、四步，將表5-1-2 的微代碼寫(xiě)入2816 芯片中。(2) 手動(dòng)校驗(yàn)微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗(yàn)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，

7、連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0 顯示該單元的低8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5 置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)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(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫(xiě)入錯(cuò)誤，重新寫(xiě)入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無(wú)誤為止。(3) 手動(dòng)寫(xiě)入機(jī)器程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)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

8、單元應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN 單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該存儲(chǔ)器單元。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5 置為加1檔。 IN 單元給出下一地址（地址自動(dòng)加1）應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，將IN 單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元中。然后地址會(huì)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(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，即可完成對(duì)該單元的寫(xiě)入。 亦可重復(fù)、兩步，將所有機(jī)器指令寫(xiě)入主存芯片中。(4) 手動(dòng)校驗(yàn)機(jī)器程序?qū)r(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗(yàn)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

9、續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)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)。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5 置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，地址自動(dòng)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?jī)纱伟磩?dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，地址自動(dòng)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(jìn)行該操作，直至完成校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回寫(xiě)入，然后校驗(yàn)，直至確認(rèn)輸入的所有指令準(zhǔn)確無(wú)誤。 亦可重復(fù)、兩步，完成對(duì)指令碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出指令碼寫(xiě)入錯(cuò)誤，重新寫(xiě)入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)指令碼的輸入無(wú)誤為止。2) 聯(lián)機(jī)寫(xiě)入和校驗(yàn)聯(lián)機(jī)軟件提供了微程

10、序和機(jī)器程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫(xiě)微程序和機(jī)器程序，但是微程序和機(jī)器程序得以指定的格式寫(xiě)入到以TXT 為后綴的文件中，微程序和機(jī)器程序的格式如下：本次實(shí)驗(yàn)程序如下，程序中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉：選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能，在打開(kāi)文件對(duì)話框中選擇上面所保存的文件，軟件自動(dòng)將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?。選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示，對(duì)照文件檢查微程序和機(jī)器程序是否正確，如果不正確，則說(shuō)明寫(xiě)入操作失敗，應(yīng)重新寫(xiě)入，可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的指令，以修改微指令為例，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的

11、微存TAB 按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁颍斎? 位數(shù)據(jù)并回車(chē)，編輯框消失，并以紅色顯示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。3. 運(yùn)行程序方法一：本機(jī)運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，按動(dòng)CON 單元的總清按鈕CLR，將使程序計(jì)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(kāi)始運(yùn)行，暫存器A、B，指令寄存器IR 和OUT 單元也會(huì)被清零。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK2 置為單步檔，每按動(dòng)一次ST 按鈕，即可單步運(yùn)行一條微指令，對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運(yùn)行完一條微指令，觀測(cè)一次CPU 內(nèi)總線和地址總線，對(duì)照數(shù)據(jù)通路圖，分析總線上的

12、數(shù)據(jù)是否正確。當(dāng)模型機(jī)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(jī)器程序，從OUT 單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正確。方法二：聯(lián)機(jī)運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1 和KK3 置為運(yùn)行檔，進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí)驗(yàn)】【簡(jiǎn)單模型機(jī)】”，打開(kāi)簡(jiǎn)單模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖。按動(dòng)CON 單元的總清按鈕CLR，然后通過(guò)軟件運(yùn)行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序，當(dāng)模型機(jī)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。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測(cè)指令的執(zhí)行過(guò)程，并觀測(cè)軟

13、件中地址總線、數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機(jī)是否一致。圖5-1-5 實(shí)驗(yàn)接線圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入數(shù)據(jù)助記符機(jī)器指令代碼結(jié)果備注00010001IN00100000R0=11從IN單元讀入數(shù)據(jù)到R0中ADD00000000R0=22R0和自身相加結(jié)果送到R0中OUT00110000OUT=22把R0的數(shù)據(jù)傳送到OUT單元顯示JMP11100000跳轉(zhuǎn)到00H地址HLT01010000停機(jī)操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示：結(jié)果分析在IN單元中輸入數(shù)據(jù)00010001，使用CON 單元的SD27SD20 給出指令I(lǐng)N、ADD、OUT、TMP、HLT的數(shù)據(jù)00100000、00000000、00110000、11100000、01010000，連續(xù)按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST，觀察電腦中的數(shù)據(jù)通路圖記錄數(shù)據(jù)。（1）當(dāng)CON單元輸入指令代碼00100000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中IN中的數(shù)據(jù)傳送到R0中，R0中顯示R0=11，實(shí)現(xiàn)了從IN單元讀入數(shù)據(jù)傳送到R0中過(guò)程。（2）當(dāng)CON單元輸入指令代碼00000000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中A=11、B=11通過(guò)ALU運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)自加后把結(jié)果傳送給R0，R0中顯示R0=22，實(shí)現(xiàn)了R0和自身相加結(jié)果送到R0中的過(guò)程。（3）當(dāng)CON單元輸入指令代碼00110000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中把R0的數(shù)據(jù)傳送