計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)-基本模型機(jī)

1、2022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心1計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課件教師：武俊鵬 程旭輝孫建國(guó) 付小晶單位：計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圖1 計(jì)算機(jī)組成機(jī)器語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序01010110101010111100010010101011 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備外設(shè)外設(shè)CPU控制器運(yùn)算器寄存器組內(nèi)部總線主存主存系統(tǒng)系統(tǒng)總總 線線匯編語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序ADDMOVJMP高級(jí)語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序1+1=？while編譯編譯計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)2022-3-173實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l實(shí)驗(yàn)?zāi)康?l在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)l定義五條機(jī)器指

2、令，并編寫相應(yīng)的微程序，上機(jī)調(diào)試，掌握計(jì)算機(jī)整機(jī)概念l通過熟悉較完整的計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，全面了解并掌握微程序控制方式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心理論基礎(chǔ)l計(jì)算機(jī)的組成部件 計(jì)算機(jī)的5大部件中，如圖1所示。運(yùn)算器和控制器是信息處理的中心部件，所以它們合稱為“中央處理單元”（CPU：Central Processing Unit）。存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器在信息處理操作中起主要作用，是計(jì)算機(jī)硬件的主體部分，通常被稱為“主機(jī)”。而輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為“外部設(shè)備”，簡(jiǎn)稱為外設(shè)或I/O設(shè)備。理論基礎(chǔ) 圖1 計(jì)算機(jī)的組成部件 輸出設(shè)備輸入設(shè)備 運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器控

3、制流CS數(shù)據(jù)流DS計(jì)算結(jié)果程序2022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心6基本模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖4 基本模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖2022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心7返返回回2022-3-178 基本模型機(jī)邏輯電路哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-179 基本模型機(jī)邏輯電路哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1710實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l實(shí)驗(yàn)原理（一） 基本模型機(jī)的核心部分就是微處理器。微處理器主要由控制器和運(yùn)算器組成。 控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令

4、譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。 控制器的主要功能有： 1、從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置； 2、對(duì)指令進(jìn)行譯碼，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以啟動(dòng)相應(yīng)的操作； 3、指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。 哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1711實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l實(shí)驗(yàn)原理（二） 相對(duì)控制器而言，運(yùn)算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的。 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

5、，全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1712實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l控制臺(tái)命令設(shè)計(jì) 為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序，如表3所示。 （1）存儲(chǔ)器讀操作（KRD）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWB、SWA為“00”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。 存儲(chǔ)器寫操作（KWE）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按鍵（CLR）后，控制臺(tái)（2）SWB、SWA為“01”時(shí)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。 （3）啟動(dòng)程序（RP）：下載實(shí)驗(yàn)程序后按總清除按

6、鍵（CLR）后，控制臺(tái)SWB、SWA為“11”時(shí)，即可轉(zhuǎn)入到01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。表3 控制臺(tái)命令哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1713實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l基本模型機(jī)機(jī)器指令設(shè)計(jì) 采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如表所示（前4位為操作碼）：其中IN為單字長(zhǎng)（8位），其余為雙字長(zhǎng)指令，XXXX XXXX 為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。2022-3-1713圖11 簡(jiǎn)單模型機(jī)機(jī)器指令 哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-171

7、4實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l微代碼定義 表4 微代碼定義哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1715實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l微程序設(shè)計(jì)圖12 微程序流程圖哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-1716實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l二進(jìn)制微代碼設(shè)計(jì)表5 二進(jìn)制微代碼表哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心17基本模型機(jī)設(shè)計(jì)舉例：ADD指令1、數(shù)據(jù)通路流程2、微程序流程01 PC-AR,PC+102 RAM-BUS,BUS-IR10 P(1)分支測(cè)試11 PC-AR,PC+103 RAM-BUS,BUS-AR04 RAM-BUS,BUS-DR205 R0-DR106 (DR1)+(DR2)-R02022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心18基本模型機(jī)設(shè)計(jì)2022-3-1719實(shí)驗(yàn)七 基本模型機(jī)l程序代碼哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2022-3-17哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心20基本模型機(jī)仿真圖（仿真前）2