實驗八復(fù)雜實驗計算機

PAGE計算機組成原理實驗指導(dǎo)書-PAGE８０實驗八、復(fù)雜實驗計算機的組成與程序運行實驗一、實驗?zāi)康模壕C合運用所學知識，設(shè)計并實現(xiàn)較完整的實驗計算機。二、預(yù)習要求：1認真預(yù)習本實驗的相關(guān)知識和內(nèi)容。三、實驗設(shè)備：EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。四、模型機結(jié)構(gòu)：MS1S0數(shù)據(jù)總線(D_BUS)74299LPC299-G程序計數(shù)器PCALU-GLOADPC-GMCNALUS3S2S1S0數(shù)據(jù)暫存器LT1數(shù)據(jù)暫存器LT2LAR地址寄存器AR地址總線（ADDR_BUS）LDR1LDR2存儲器(MEM)READWRITE寄存器R0寄存器R1寄存器R2微控器脈沖源及時序LR0R0GLR1R1GLR2R2G指令寄存器IRC-GLDIR輸入設(shè)備W/R控制門輸出設(shè)備數(shù)據(jù)LED-G控制信號圖8-1模型機結(jié)構(gòu)框圖五工作原理：數(shù)據(jù)格式：本實驗計算機采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為8位，其格式如下：7654321符號尾數(shù)其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-1≤X<1指令格式：1）算術(shù)邏輯指令設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址其格式如下：76543210OP-CODErsrd其中OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定：Rs或rd選定寄存器00R001R110R29條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表8-2。2）訪問及轉(zhuǎn)移指令本機設(shè)計有2條訪問指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式如下：7654321000MOP-CODErdD其中OP-CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D為位移量（正負均可），M為尋址模式，其定義如下：尋址模式M有效地址E說明00011011E=DE=（D）E=（RI）+DE=（PC）+D直接尋址間接尋址RI變址尋址相對尋址本機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。3）I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：76543210OP-CODEaddrrd其中，addr=01時，選中“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時，選中“輸出顯示電路”中的數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。4）停機指令指令格式如下：76543210OP-CODE0000HALT指令，用于實現(xiàn)停機操作。指令系統(tǒng)本機共有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令9條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條。輸入輸出指令2條，其它指令1條。表8-1列出了各條指令的格式、匯編符號和指令功能。匯編符號指令的格式功能CLRrdMOVrs，rdADCrs，rdSBCrs，rd011100rd1000rsrd1001rsrd1010rsrd0rdrsrdrs+rd+cyrdrs-rd-cyrdINCrdANDrs，rdCOMrdRRCrs，rd1011rsrd1100rsrd1101rsrd1110rsrdrd+1rdrs∧rdrdrdrdcyrsrsrdRLCrs，rd1111rsrdcyrsrsrdLDAM，D，rd00M00rdDErsSTAM，D，rd00M01rdDrdEJMPM，D00M1000ＤＥＰＣBZCM，D00M1100Ｄ當CY=1或Z=1時，EPCINaddr，rdOUTaddr，rd010001rd010110rdaddrrdrdaddrHALT01100000停機表8-1實驗八指令格式4．設(shè)計微代碼首先設(shè)計三個控制操作微程序：存儲器讀操作（MRD）：撥動清零開關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“00”時，按“單步”鍵，可對RAM連續(xù)讀操作。存儲器寫操作（MWE）：撥動清零開關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時，按“單步”啟動程序（RUN）：撥動開關(guān)CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“11”時，按“單步”鍵，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。本系統(tǒng)設(shè)計的微程序字長共24位，其控制位順序如下：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0其中uA5-uA0為6位的后續(xù)微地址，F(xiàn)1、F2、F3為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。F3字段包含P1-P4四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入囗，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三個字段的編碼方案如表8－2：F1字段F2字段F3字段151413選擇121110選擇987選擇000LDRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011011011100LDR1100RBG100P2101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299－G110P4表8－2系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖8-2，當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P1測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本實驗用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)12路分支，占用12個固定微地址單元，P2測試結(jié)果出現(xiàn)4路分支，占用4個固定微地址單元，P3測試結(jié)果出現(xiàn)2路分支，占用2個固定微地址單元控制操作為P4測試，它以CA1、CA2作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，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。注意：微程序流程圖上的微地址為8進制。當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微程序代碼化，表8-3即為將圖8-2的微程序流程按微程序格式轉(zhuǎn)化而成的二進制微代碼表。指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P1，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。IR7-IR2為指令寄存器的第7-2位。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備；另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備。輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到數(shù)據(jù)總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當寫信號（W/R）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼管顯示?？刂崎_關(guān)0010P(4)測試MWE（01）MRD(00)RUN(11)PCAR,PC+111PCAR,PC+11013(D_INPUT)D_BUSLT114RAMD_BUSLT11201LT1RAM74LT1LED73圖8-2（a）微程序流程圖六、實驗參考代碼：我們按程序流程圖譯出適合本實驗系統(tǒng)所有機器指令的微代碼，供學生自己編程實驗，加深對較完整的實驗計算機的認識。這里只提供以下簡單的實驗程序：地址（二進制）指令（二進制）助記符說明0000000001000100IN，R0DATA1R00000000101000110IN，R2DATA2R20000001010010010ADCR0，R2[R0]+[R2]R20000001111111000RLCR2，R0Cy[R2][R2][R0]0000010010000010MOVR0,R20000010101011010OUT直接尋址方式0000011000001100JMP00000111000000000000100000100000表8-3為根據(jù)本實驗程序流程圖設(shè)計的二進制微代碼表： 微地址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表8－3二進制微代碼表七、實驗步驟：單片機鍵盤操作方式實驗。在進行單片機鍵盤控制實驗時，必須把K4開關(guān)置于“OFF”狀態(tài)，否則系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，無法進行實驗。實驗連線：實驗連線圖如圖8-3所示。連線時應(yīng)按如下方法：對于橫排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。寫微代碼：將開關(guān)K1K2K3K4撥到寫狀態(tài)即K1off、K2on、K3off、K4off，其中K1、K2、K3在微程序控制電路，K4在24位微代碼輸入及顯示電路上。在監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態(tài)下按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示為【ES08】，表示準備進入實驗七程序，也可按【取消】鍵來取消上一步操作，重新輸入。再按下【確認】鍵，顯示為【CtL1=_】，表示對微代碼進行操作。輸入1顯示【CtL1_1】，表示寫微代碼，也可按【取消】鍵來取消上一步操作，重新輸入。按【確認】顯示【U-Addr】，此時輸入【000000】6位二進制數(shù)表示的微地址，然后按【確認】鍵，也可按【取消】鍵來取消上一步操作，重新輸入，微地址顯示燈（六個黃色指示燈，八進制）全滅，顯示剛才輸入的微地址，也可按【取消】鍵來取消上一步操作，重新輸入。同時監(jiān)控指示燈顯示【U_CodE】，顯示這時輸入微代碼【007F88】，該微代碼是用6位十六進制數(shù)來表示前面的24位二進制數(shù)，注意輸入微代碼的順序，先右后左，此過程中可按【取消】鍵來取消上一次輸入，重新輸入。按【確認】鍵則顯示【PULSE】，按【單步】完成一條微代碼的輸入，重新顯示【U-Addr】提示輸入表8-4第二條微代碼地址。按照上面的方法輸入表8-4微代碼,觀察微代碼與微地址顯示燈的對應(yīng)關(guān)系（注意輸入微代碼的順序是由右至左）。微地址（八進制）微地址（二進制）微代碼（十六進制）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表8－4實驗八微代碼表讀微代碼及校驗微代碼：先將開關(guān)K1K2K3K4撥到讀狀態(tài)即K1off、K2off、K3on、K4off，在監(jiān)控指示燈顯示【U_Addr】狀態(tài)下連續(xù)按兩次【取消】鍵，退回監(jiān)控指示燈顯示【ES08】狀態(tài)，也可按【RESET】按鈕對單片機復(fù)位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態(tài)，按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示【ES08】。按【確認】鍵，顯示【CtL1=_】時，輸入2，按【確認】顯示【U_Addr】，此時輸入6位二進制微地址，進入讀代碼狀態(tài)。再按【確認】顯示【PULSE】，此時按【PULSE】鍵，顯示【U_Addr】，微地址指示燈顯示輸入的微地址，微代碼顯示電路上顯示該地址對應(yīng)的微代碼，至此完成一條微指令的讀過程。對照表8-3表檢查微代碼是否有錯誤，如有錯誤，可按步驟2寫微代碼重新輸入這條微代碼的微地址及微代碼。寫機器指令先將K1K2K3K4撥到運行狀態(tài)即K1on、K2off、K3on、K4off，按【RESET】按鈕對單片機復(fù)位，使監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】狀態(tài)，按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入08或8，按【確認】鍵，顯示【ES08】，再按【確認】，顯示【CtL1=_】,按【取消】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】，輸入1顯示【CtL2_1】表示進入對機器指令操作狀態(tài)，此時撥動CLR清零開關(guān)（在控制開關(guān)電路上，注意對應(yīng)的JUI應(yīng)短接）對地址寄存器、指令寄存器清零，清零結(jié)果是地址指示燈（8個黃色指示燈，在地址寄存器電路上）全滅，如不清零則會影響機器指令的輸入?。?！，清零步驟是使其電平高－低－高即CLR指示燈狀態(tài)為亮－滅－亮。確定清零后，按【確認】顯示閃爍的【PULSE】，按【單步】鍵，微地址顯示燈（黃色）顯示“001001”時，再按【單步】，微地址顯示燈（黃色）顯示“001100”，地址指示燈（8個黃色指示燈）顯示“000000”，數(shù)據(jù)總線顯示燈（8個綠色指示燈）顯示“000001”，此時按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【CodE__】，提示輸入機器指令“00”（兩位十六進制數(shù)）,輸入后按【確認】，顯示【PULSE】，再按【單步】，微地址顯示燈（黃色）顯示“111100”，再按【單步】，微地址顯示燈（黃色）再次顯示“001001”，數(shù)據(jù)總線顯示燈（8個綠色指示燈）顯示“000000”，即輸入的機器指令。連續(xù)按【單步】，微地址顯示燈（黃色）顯示“001100”時，按【確認】輸入第二條機器指令。依此規(guī)律逐條輸入表8－5的機器指令，輸完后，在顯示【PULSE】狀態(tài)下按【確認】進入顯示【CodE__】狀態(tài)，此時按【取消】鍵可退出寫機器指令狀態(tài)。按【取消】退出寫機器指令狀態(tài)。注意，每當微地址顯示燈（黃色）顯示“001100”時，地址指示燈和數(shù)據(jù)總線顯示燈均自動加1顯示。地址（八進制）地址（二進制）機器指令（十六進制）0000000000440100000001460200000010920300000011F804000001008205000001015A06000001100C070000011100080000100020表8－5實驗八機器指令表讀機器指令及校驗機器指令：在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入2，顯示【CtL2_2】，表示進入讀機器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關(guān)對地址寄存器和指令寄存器進行清零，然后按【確認】鍵，顯示【PULSE】，連續(xù)按【單步】鍵，微地址顯示燈（黃色）顯示從“000000”開始，然后按“001000”、“001010”、“111011”方式循環(huán)顯示。只有當微地址燈（黃色）顯示為“001010”時，數(shù)據(jù)總線指示燈（綠色）上顯示的為寫入的機器指令。讀的過程注意微地址顯示燈，地址顯示燈和數(shù)據(jù)總線指示燈的對應(yīng)關(guān)系。如果發(fā)現(xiàn)機器指令有誤，則需重新輸入機器指令。注意：機器指令存放在RAM里，掉電丟失，故斷電后需重新輸入。運行程序在監(jiān)控指示燈顯示【CtL2=_】狀態(tài)下，輸入3，顯示【CtL2_3】，表示進入運行機器指令狀態(tài)，按步驟4的方法撥動CLR開關(guān)對地址寄存器和指令寄存器進行清零,使程序入口地址為00H，可以【單步】運行程序也可以【全速】運行，運行過程中提示輸入相應(yīng)的量，運行結(jié)束后從輸出顯示電路上觀察結(jié)果。八、實驗結(jié)果說明根據(jù)本實驗的微程序流程圖圖8－2（b）來觀察程序運行的過程，并驗證運行結(jié)果是否正確。Ⅱ、開關(guān)控制操作方式實驗本實驗中所有控制開關(guān)撥動，相應(yīng)指示燈亮代表高電平“1”，指示燈滅代表低電平“0”。連線時應(yīng)注意：對于橫排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。在圖8－3接線圖上更改如下接線：斷開控制總線上所有接線數(shù)據(jù)輸入電路DIJ1接數(shù)據(jù)總線BD7BD0數(shù)據(jù)輸入電路DIJ-G接I/O控制電路Y3脈沖源及時序電路fin接脈沖源及時序電路f/8脈沖源及時序電路T4—T1接讀寫控制總線T4T1指令譯碼器電路CA1接控制開關(guān)電路CA1指令譯碼器電路CA2接控制開關(guān)電路CA22．實驗步驟：1).寫微代碼(以寫表8-4的微代碼為例)：首先將微程序控制電路上的開關(guān)K1K2K3撥到寫入狀態(tài)，即K1off、K2on、K3off，然后將24位微代碼輸入及顯示電路上的開關(guān)K4撥到on狀態(tài)。置控制開關(guān)UA5……UA0=“000000”，輸入微地址“000000”，置24位微代碼開關(guān)MS24MS1為：“000000000111111110001000”，輸入24位二進制微代碼,即“007F88”，按【單步】，黃色微地址燈