計(jì)算機(jī)組成原理中斷實(shí)驗(yàn)報(bào)告

/北京建筑大學(xué)2015/2016學(xué)年第二學(xué)期課程設(shè)計(jì)課程名稱計(jì)算機(jī)組成原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目微程序控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系別電信學(xué)院計(jì)算機(jī)系班級(jí)計(jì)141學(xué)生姓名艾尼瓦爾·阿布力米提學(xué)號(hào)201406030128完成日期二〇一六年七月八日星期五成績(jī)指導(dǎo)教師〔簽名計(jì)算機(jī)組成綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)書指導(dǎo)教師姓名王懷秀系計(jì)算機(jī)任務(wù)微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)人數(shù)32學(xué)時(shí)1周實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．融合貫通計(jì)算機(jī)組成原理課程,加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系〔寄存器堆、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制臺(tái)、微程序控制器。2．理解并掌握微程序控制器的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)原理,具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力；3．掌握較復(fù)雜微程序控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試等基本技能；提高綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)獨(dú)立分析和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)任務(wù)基于TEC-9教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于原有指令集的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)或擴(kuò)展4~8條指令。首先在原微程序控制器指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行原指令集的微指令編碼的測(cè)試,然后利用上端軟件,編寫用戶設(shè)計(jì)的微指令,實(shí)現(xiàn)指令預(yù)定的功能。實(shí)驗(yàn)步驟1、進(jìn)行原實(shí)驗(yàn)平臺(tái)指令集的微程序控制器下指令運(yùn)行測(cè)試；2、記錄每一條機(jī)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(jì)或擴(kuò)展4~8條指令。畫出擴(kuò)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(shí)驗(yàn)臺(tái)中控制器中。6、利用單拍測(cè)試控制器與編程的要求是否一致。如果有錯(cuò)誤重新修改后再寫入控制器中。編寫一段測(cè)試程序,測(cè)試控制器運(yùn)行是否正確。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．融合貫通計(jì)算機(jī)組成原理課程,加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系〔寄存器堆、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制臺(tái)、微程序控制器。2．理解并掌握微程序控制器的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)原理,具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力；3．掌握較復(fù)雜微程序控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試等基本技能；提高綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)獨(dú)立分析和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)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CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的電路圖,但本次實(shí)驗(yàn)加入中斷系統(tǒng)。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的中斷系統(tǒng)模型,只支持單級(jí)中斷、單個(gè)中斷請(qǐng)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(dá)式如下：INTR1:=INTR;INTR1.CLK=CLK1;IE:=CLR&INTS#CLR&IE&!INTC;IE.CLK=MF;INTQ=IE&INTR1; 其中,CLK1是TIMER1產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào),它主要是作為W1—W4的時(shí)鐘脈沖,這里作為INTR1的時(shí)鐘信號(hào),INTE的時(shí)鐘信號(hào)是晶振產(chǎn)生的MF。INTS微指令位是INTS機(jī)器指令執(zhí)行過程中從控制存儲(chǔ)器讀出的,INTC微指令位是INTC機(jī)器指令執(zhí)行過程中從控制存儲(chǔ)器讀出的。INTE是中斷允許標(biāo)志,控制臺(tái)有一個(gè)指示燈IE顯示其狀態(tài),它為1時(shí),允許中斷,為0時(shí),禁止中斷。當(dāng)INTS=1時(shí),在下一個(gè)MF的上升沿IE變1,當(dāng)INTC=1時(shí),在下一個(gè)MF的上升沿IE變0。CLR信號(hào)實(shí)際是控制臺(tái)產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)CLR#。當(dāng)CLR=0時(shí),在下一個(gè)CLK1的上升沿IE變0。當(dāng)CLR=1且INTS=0且INTC=0時(shí),IE保持不變。INTR是外部中斷源,接控制臺(tái)按鈕INTR。按一次INTR按鈕,產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求正脈沖INTR。INTR1是INTR經(jīng)時(shí)鐘CLK1同步后產(chǎn)生的,目的是保持INTR1與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的時(shí)序信號(hào)同步。INTR脈沖信號(hào)的上升沿代表有外部中斷請(qǐng)求到達(dá)中斷控制器。INTQ是中斷屏蔽控制邏輯傳遞給CPU的中斷信號(hào),接到微程序控制器上。當(dāng)收到INTR脈沖信號(hào)時(shí),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(diǎn)地址,以便中斷返回,設(shè)置了一個(gè)中斷地址寄存器IAR。第二節(jié)圖4中的IAR〔U19就是這個(gè)中斷地址寄存器,它是一片74HC374,有LDIAR和IAR_BUS#兩個(gè)信號(hào)輸入端,均連接至微程序控制器。LDIAR信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí),來自程序計(jì)數(shù)器PC的地址會(huì)置入IAR中。IAR_BUS#為０時(shí),保存在IAR中的斷點(diǎn)地址會(huì)輸出到數(shù)據(jù)總線DBUS上。由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只有一個(gè)斷點(diǎn)寄存器而無堆棧,因此僅支持一級(jí)中斷而不支持多級(jí)中斷。中斷向量即中斷服務(wù)程序的入口地址,在本實(shí)驗(yàn)儀中由８位數(shù)碼開關(guān)SW7—SW0提供。3.中斷的檢測(cè)、執(zhí)行和返回過程微程序控制器每執(zhí)行一條機(jī)器指令之后,執(zhí)行下一條機(jī)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(shí)判斷是否有中斷請(qǐng)求INTQ。如果沒有INTQ,則繼續(xù)正常的機(jī)器指令執(zhí)行。若檢測(cè)到中斷請(qǐng)求INTQ,首先發(fā)出關(guān)中斷信號(hào)INTC、保存斷點(diǎn)信號(hào)LDIAR,并且發(fā)出停機(jī)信號(hào)TJ,等待手動(dòng)設(shè)置中斷向量。設(shè)置好SW7—SW0后,按QD按鈕啟動(dòng),機(jī)器將中斷向量讀入程序計(jì)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(jī)器指令I(lǐng)RET,從中斷服務(wù)子程序返回時(shí),發(fā)出IAR_BUS#信號(hào),從中斷地址寄存器IAR向數(shù)據(jù)總線DBUS輸出斷點(diǎn)地址,再?gòu)腄BUS依次寫入到R4、PC中,恢復(fù)執(zhí)行被中斷的程序。發(fā)生中斷時(shí),關(guān)中斷由硬件負(fù)責(zé),而中斷現(xiàn)場(chǎng)<寄存器堆中的寄存器,進(jìn)位標(biāo)志C>的保存和恢復(fù)由中斷服務(wù)程序來處理。實(shí)驗(yàn)任務(wù)〔1了解中斷系統(tǒng)中每個(gè)信號(hào)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(jìn)制機(jī)器代碼,此項(xiàng)任務(wù)應(yīng)在預(yù)習(xí)時(shí)完成。主程序：地址指令機(jī)器代碼20HINTS21HLDAR0,[R2]22HADDR0,R023HADDR0,R024HADDR0,R025HADDR0,R026HADDR0,R027HADDR0,R028HADDR0,R029HJMP[R1]中斷服務(wù)程序：地址指令機(jī)器代碼0A0HANDR0,R00A1HIRET〔2參考CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn),再加上中斷系統(tǒng),完成本次實(shí)驗(yàn)的線路連接。接通電源之前應(yīng)仔細(xì)檢查接線,確認(rèn)無誤?！?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?！?從地址20H執(zhí)行程序,在程序運(yùn)行中,按一次控制臺(tái)的INTR。進(jìn)入中斷后,用單拍〔DP方式執(zhí)行,直到返回主程序?yàn)橹?。列表記錄中斷系統(tǒng)中有關(guān)信號(hào)的變化情況,特別要紀(jì)錄好斷點(diǎn)地址和R0的值?！?重復(fù)執(zhí)行〔4兩次?！惨还矆?zhí)行3次〔6將RAM中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(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、實(shí)驗(yàn)程序主程序：地址指令機(jī)器代碼20HINTS0BH21HLDAR0,[R2]58H22HADDR0,R000H23HADDR0,R000H24HADDR0,R000H25HADDR0,R000H26HADDR0,R000H27HADDR0,R000H28HADDR0,R000H29HJMP[R1]84H中斷服務(wù)程序：地址指令機(jī)器代碼0A0HANDR0,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、LDPC接LDR4、LDDR1接LDDR2、M1接M2、LDAR1接LDAR2。b、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。C、單脈沖DMC接中斷INTR信號(hào)1LDIRLDPCLDDR1M1LDAR1IR0IR0IR1IR1IR2IR3DMC信號(hào)2CERLDR4LDDR2M2LDAR2RD0WR0RD1WR1RS0RS1INTR選擇開關(guān)拔至"微程序"3、存程序機(jī)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)?！?、設(shè)置寄存器R1、R2的值 根據(jù)要求,設(shè)置R1=21H,R2的值由實(shí)驗(yàn)者自定,假定為10H。1、令DP=0,DB=0,DZ=0,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。令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)。、在SW7—SW0上設(shè)置一個(gè)存儲(chǔ)器地址,該存儲(chǔ)器地址供設(shè)置通用寄存器使用。該存儲(chǔ)器地址最好是不常用的一個(gè)地址,以免設(shè)置通用寄存器操作破壞重要的存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容。例如可將該地址設(shè)置為0FFH。按一次QD按鈕,將0FFH寫入AR1和AR2。在SW7—SW0上設(shè)置01H,作為通用寄存器R1的寄存器號(hào)。按一次QD按鈕,將01H寫入IR。在SW7—SW0設(shè)置21H,按一次QD按鈕,將21H寫入IR指定的R1寄存器。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,將02H寫入IR。在SW7—SW0設(shè)置10H,作為R2的值。按一次QD按鈕,將10H寫入IR指定的R2寄存器。設(shè)置R1、R2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?cè)?0H單元存入01H〔也可以是其他值,從20地址開始存10個(gè)機(jī)器代碼：0B0H,58H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,84H。從0A0H存入2個(gè)機(jī)器代碼:30H,0A0H。1令DP=0,DB=0,DZ=0,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。令SWB=1,SWA=0,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于寫雙端口存儲(chǔ)器工作方式KWRD。按CLR#按鈕,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2置SW7—SW0為10H,按QD按鈕,將10H寫入AR1。3置SW7—SW0為01H,按QD按鈕,將01H寫入存儲(chǔ)器10H單元。寫主程序1按CLR#按鈕,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。2置SW7—SW0為20H,按QD按鈕,將20H寫入AR1。3置SW7—SW0為0B0H,按QD按鈕,將0B0H寫入存儲(chǔ)器20H單元。AR1自動(dòng)加1,變?yōu)?1H。4置SW7—SW0為58H,按QD按鈕,將58H寫入存儲(chǔ)器21H單元。AR1自動(dòng)加1,變?yōu)?2H。5重復(fù)進(jìn)行下去,一直到將84H寫入存儲(chǔ)器29H單元。按CLR#按鈕,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。寫中斷程序1置SW7—SW0為0A0H,按QD按鈕,將0A0H寫入AR1。2置SW7—SW0為30H,按QD按鈕,將30H寫入存儲(chǔ)器0A0H單元。3置SW7—SW00A0H,按QD按鈕,將0A0H寫入存儲(chǔ)器0A1H單元。4按CLR#按鈕,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)?；蛴脤?shí)驗(yàn)臺(tái)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(yùn)行中,按一次控制臺(tái)的INTR。進(jìn)入中斷后,用單拍〔DP方式執(zhí)行,直到返回主程序?yàn)橹埂Ａ斜碛涗浿袛嘞到y(tǒng)中有關(guān)信號(hào)的變化情況,特別要紀(jì)錄好斷點(diǎn)地址和R0的值。1令DP=0,DZ=0,DB=0,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。2置SW7—SW0為20H,作為程序的起始地址。按QD按鈕,啟動(dòng)程序從20H地址運(yùn)行。中斷允許指示燈亮。3按INTR按鈕,發(fā)出一個(gè)INTR中斷脈沖,請(qǐng)求中斷。中斷后硬件自動(dòng)將中斷地址存入中斷地址寄存器IAR。微程序地址應(yīng)為25H。4置SW7—SW0為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按鈕,將0A0H送入程序計(jì)數(shù)器PC。微程序地址應(yīng)為26H。5按一次QD按鈕,進(jìn)行取指微操作。微程序地址應(yīng)為05H。6按一次QD按鈕,進(jìn)行置數(shù)微操作。微程序地址應(yīng)為13H。7按一次QD按鈕,進(jìn)行R0&R0操作,這時(shí)微程序地址應(yīng)為38H。觀察DBUS總線的值,即為R0的值。8按一次QD按鈕,進(jìn)行寫回微操作。微程序地址應(yīng)為34H。9按一次QD按鈕,進(jìn)行判定有無中斷請(qǐng)求INTQ微操作。微程序地址應(yīng)為0FH。10按一次QD按鈕,進(jìn)行取指微操作。微程序地址應(yīng)為05H。11按一次QD按鈕,進(jìn)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(shí)觀察PC地址,即中斷地址。12按一次QD按鈕,進(jìn)行判有無新的中斷操作。微程序地址為0FH。13按一次QD按鈕,進(jìn)行取指微操作。微程序地址為05H。此刻,程序已返回主程序。由于按下INTR按鈕的時(shí)間對(duì)主程序而言,是隨機(jī)的,具有不確定性,因此各次中斷地址、R0會(huì)具有不同的值。將RAM中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(huì)發(fā)生中斷?！?控制存儲(chǔ)器代碼表1.微程序控制器信號(hào)表指令當(dāng)前指令CM4CM3CM2CM1CM0LDAR0,[R2]07H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHLDAR1,[R3]07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H15H10H01H04H00H36H36H10H0CH20H00H34H34H00H12H00H00H0FHADDR0,R107H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H10H10H20H00H00H3BH3BH14H82H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHJC+507H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H19H10H00H00H00H0FHANDR2,R307H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H13H10H20H00H00H38H38H0DH82H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHSUBR3,R207H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H11H10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHSTAR3,[R2]07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H14H10H21H04H00H35H35H10H06H00H00H0FHSTP07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H16H30H00H00H00H0FHJMP[R1]07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H18H10H01H01H20H0FHINTS00H30H00H02H08H26H07H10H00H81H20H05H05H10H00H04H91H10H1AH10H20H00H00H3AH3AH03H02H20H00H34H34H00H12H00H00H0FHIRET07H10H00H04H00H05H05H10H00H04H91H10H1BH10H00H41H20H0FH2.拓展控制器信號(hào)表指令CM4CM3CM2CM1CM0XORRd,Rs10H10H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H31H0BH02H20H00H34H00H12H00H00H0FHINCRd,Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H32H00H02H20H00H34H00H12H00H00H0FHDECRd,Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H33H17H82H20H00H34H00H12H00H00H0FHF=A+BRd,Rs10H00H04H00H05H10H00H04H91H10H10H20H00H00H24H0EH02H20H00H34H00H12H00H00H0FHJCSTPJCSTPJMPIRETINTSOFHOFHOFHOFHOFH1FHC=1C=026HINTQ=1INTQ=0OFHINTCN#LD_AR1PC_INCLDIRLDAR2P1TJ,CN#LDIARINTC10HP2CN#SW_BUSM4=1LDPC00HCN#P3KT07H05HM4=0LDR4PC_ADDLDPCCN#P0WRDALU_BUSOFHSTASUBANDADDLDA36HCN#RS_BUSLD_AR1CN#CELLRW=1LDER3BHCN#LDDR1CN#S3,S0ALU_BUSLDER38HCN#LDDR1M,S3,S1,S0ALU_BUSLDER3AHCN#LDDR1S3,S1ALU_BUSLDER35HCN#LDD