第六節(jié)CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)

第六節(jié)CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個(gè)數(shù)據(jù)通路）聯(lián)機(jī)，組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)；（2）用微程序控制器控制模型機(jī)數(shù)據(jù)通路；3）經(jīng)過CPU運(yùn)轉(zhuǎn)九條機(jī)器指令（消除中止指令）組成的簡單程序，掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，牢固建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)觀點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)電路本次實(shí)驗(yàn)用到前面四個(gè)實(shí)驗(yàn)中的全部電路，包含運(yùn)算器、儲(chǔ)藏器、通用寄存器堆、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、微程序控制器等，將幾個(gè)模塊組合成為一臺(tái)簡單計(jì)算機(jī)。所以，在基本實(shí)驗(yàn)中，這是最復(fù)雜的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也是最能獲得收獲的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在前面的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者自己作為“控制器”，完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本次實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。CPU從內(nèi)存拿出一條機(jī)器指令到執(zhí)行指令結(jié)束的一個(gè)機(jī)器指令周期，是由微指令組成的序列來完成的，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）TEC－４計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系一致臺(tái)（2）雙蹤示波器一臺(tái)（3）直流萬用表一只（4）邏輯測(cè)試筆一支四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)（1）對(duì)機(jī)器指令系統(tǒng)組成的簡單程序進(jìn)行譯碼。將下表的程序按指令格式手工匯編成十六進(jìn)制機(jī)器代碼，此項(xiàng)任務(wù)應(yīng)在預(yù)習(xí)時(shí)完成。2）依據(jù)下邊框圖，參照前面實(shí)驗(yàn)的電路圖完成連線，控制器是控制部件，數(shù)據(jù)通路（包含上邊各模塊）是執(zhí)行部件，時(shí)序產(chǎn)生器是時(shí)序部件。連線包含控制臺(tái)、時(shí)序部分、數(shù)據(jù)通路和微程序控制器之間的連接。此中，為把操作數(shù)傳達(dá)給通用寄存器組RF，數(shù)據(jù)通路上的RS1、RS0、RD1、RD0應(yīng)分別與IR3至IR0連接，WR1、WR0也應(yīng)接到IR1、IR0上。開關(guān)控制控制臺(tái)時(shí)序發(fā)生器開關(guān)控制指示燈信號(hào)控制信號(hào)時(shí)序信號(hào)控制信號(hào)微程序控制器數(shù)據(jù)通路指令代碼、條件信號(hào)模型計(jì)算機(jī)連線表示圖3）將上述任務(wù)（1）中的程序機(jī)器代碼用控制臺(tái)操作存入內(nèi)存中，并依據(jù)程序的需要，用數(shù)碼開關(guān)SW7―SW0設(shè)置通用寄存器R2、R3及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。注意：因?yàn)樵O(shè)置通用寄存器時(shí)會(huì)破壞內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)，所以一般應(yīng)先設(shè)置寄存器的數(shù)據(jù)，再設(shè)置內(nèi)存數(shù)據(jù)。（4）用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序，列表記錄通用寄存器堆RF中四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)（程序結(jié)束后從RAM的相應(yīng)單元中讀出），與理論解析值作比較。單拍方式執(zhí)行時(shí)注意察看微地址指示燈、IR/DBUS指示燈、AR2／AR1指示燈和判斷字段指示燈的值，以追蹤程序中取指令和執(zhí)行指令的詳細(xì)過程（可察看到每一條微指令）。（5）以單指（DZ）方式重新執(zhí)行程序一遍，注意察看IR/DBUS指示燈、AR2/AR1指示燈的值（可察看到每一條機(jī)器指令）。執(zhí)行結(jié)束后，記錄RF中四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論解析值作比較。注意：單指方式執(zhí)行程序時(shí)，四個(gè)通用寄存器和RAM中的原始數(shù)據(jù)與第一遍執(zhí)行程序的結(jié)果相關(guān)。6）以連續(xù)方式（DB、DP、DZ都設(shè)為０）再次執(zhí)行程序。這類狀況相當(dāng)于計(jì)算機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)程序。因?yàn)槌绦蛑杏型C(jī)指令STP，程序執(zhí)行到該指令時(shí)自動(dòng)停機(jī)。執(zhí)行結(jié)束后，記錄RF中四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論解析值作比較。同理，程序執(zhí)行前的原始數(shù)據(jù)與第二遍執(zhí)行結(jié)果相關(guān)。五、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）對(duì)機(jī)器指令系統(tǒng)組成的簡單程序進(jìn)行譯碼。2）接線本實(shí)驗(yàn)的接線比很多，需仔細(xì)。1．將跳線開關(guān)J1用短路子短接。時(shí)序發(fā)生器的輸入TJI接控制儲(chǔ)藏器的輸出TJ。控制器的輸入C接運(yùn)算器ALU的C。控制器的輸入IR7、IR6、IR5、IR4挨次指令寄存器IR的輸出IR7、IR6、IR5、IR4。共6條線。2．控制器的輸出LDIR（CER）、LDPC(LDR4)、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、M1（M2）、S2、S1、S0

挨次與數(shù)據(jù)通路的對(duì)應(yīng)信號(hào)連接。共

27條線。

3．指令寄存器

IR的輸出

IR0接雙端口寄存器堆的

RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接

RS0，IR3接

RS1。共

6條線。合上電源。按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。3）存程序機(jī)器代碼，設(shè)置通用寄存器R2、R3及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。設(shè)置通用寄存器R2、R3的值。在本操作中，我們打算使R2=60H，R3=61H。1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA=1，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于寄存器加載工作方式KLD。按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2．在SW7―SW0上設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)藏器地址，該儲(chǔ)藏器地址供設(shè)置通用寄存器使用。該儲(chǔ)藏器地址最好是不常用的一個(gè)地址，省得設(shè)置通用寄存器操作破壞重要的儲(chǔ)藏器單元的內(nèi)容。比方可將該地址設(shè)置為0FFH。按一次QD按鈕，將0FFH寫入AR0和AR1。3．在SW7―SW0上設(shè)置02H，作為通用寄存器R2的寄存器號(hào)。按一次QD按鈕，則將02H寫入IR。4．在SW7―SW0設(shè)置60H，作為R2的值。按一次QD按鈕，將60H寫入IR指定的R2寄存器。5．在SW7―SW0上設(shè)置03H，作為通用寄存器R3的寄存器號(hào)。按一次QD按鈕，將03H寫入IR。6．在SW7―SW0設(shè)置61H，作為R3的值。按一次QD按鈕，將61H寫入R3。7．設(shè)置R2、R3結(jié)束，按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。存程序機(jī)器代碼。本操作中，我們從00地址開始存10個(gè)機(jī)器代碼：58H，5DH，04H，95H，3EH，1BH，4BH，24H，60H，84H。在60H存入24H，用于給R0置初值；在61H存入83H，用于給R0置初值。1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA0，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于寫雙端口儲(chǔ)藏器工作方式KWE。按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。

2．置

SW7―SW0

為00H，按

QD

按鈕，將

00H

寫入

AR1。

3．置

SW7―SW0

為58H，按

QD

按鈕，將

58H

寫入儲(chǔ)藏器

00H

單元。

AR1

自動(dòng)加1，變成01H。4．置SW7―SW0為5DH，按QD按鈕，將5DH寫入儲(chǔ)藏器01H單元。AR1自動(dòng)加1，變成02H。5．按QD按鈕，使AR1+1。AR1此時(shí)為02H。6．重復(fù)進(jìn)行下去，向到達(dá)將84H寫入儲(chǔ)藏器09H單元。按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。7．置SW7―SW0為60H，按QD按鈕，將60H寫入AR1。8．置SW7―SW0為24H，按QD按鈕，將24H寫入儲(chǔ)藏器60H單元。AR1自動(dòng)加1，變成61H。9．置SW7―SW083H，按QD按鈕，將83H寫入儲(chǔ)藏器61H單元。按CLR#按鈕，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序。在單拍執(zhí)行過程中，第一要隨時(shí)監(jiān)測(cè)AR2的值和IR的值，以判斷程序執(zhí)行到哪處，正在執(zhí)行哪條指令。監(jiān)測(cè)微地址指示燈和判斷字段指示燈，比較微程序流程圖，可以判斷出微指令的地址和正在進(jìn)行的微操作。程序執(zhí)行的結(jié)果以下：初值：R0不決，R1不決，R2=60H，R3=61H。儲(chǔ)藏器60H單元的內(nèi)容是24H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=24H。2．LDAR1,[R3]執(zhí)行結(jié)果R3=61H，R1=83H。3．ADDR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=0A7H，R1=83H，C=0。4．JC+5執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，因?yàn)镃=0。5．ANDR2,R3執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=61H。6．SUBR3,R2執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H7．STAR3,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H，儲(chǔ)藏器60單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=15H，R1=83H9．STP執(zhí)行結(jié)果：無變化10．JMP[R1]執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到83H。第一遍執(zhí)行結(jié)束。執(zhí)行結(jié)果是

R0=15H，R1=83H

，R2=60H，R3=01H，儲(chǔ)藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。（5）用單指（DZ）方式執(zhí)行一遍程序。初值:R0=15H，R1=83H，R2=60H，R3=01H，儲(chǔ)藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=01H。2．LDAR1,[R3]執(zhí)行結(jié)果R3=01H，R1=5DH。3．ADDR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=5EH，R1=5DH，C=04．4．JC+5執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，因?yàn)镃=0。5．ANDR2,R3執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H。6．SUBR3,R2執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H7．STAR3,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H，儲(chǔ)藏器00單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=0B6H，R1=5DH9．STP執(zhí)行結(jié)果：無變化10．JMP[R1]執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到

5DH第二遍執(zhí)行結(jié)束。執(zhí)行結(jié)果是

R0=B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，儲(chǔ)藏器

60H

單元的內(nèi)容是

01H，61H

單元的內(nèi)容是

83H，00H

單元的內(nèi)容為

01H。（6）用連續(xù)方式執(zhí)行一遍程序因?yàn)?0單元的內(nèi)容已被更正，所以在執(zhí)行前應(yīng)第一恢復(fù)00H單元的內(nèi)容58H。初值：R0=0B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，儲(chǔ)藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H，00H單元的內(nèi)容為58H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=0