簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、評(píng)語(yǔ):課中檢查完成的題號(hào)及題數(shù)： 課后完成的題號(hào)與題數(shù)：成績(jī):自評(píng)成績(jī):實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告日期：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、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。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：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2-1-1 所示。這個(gè)CPU 在寫(xiě)入相應(yīng)的微指

2、令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，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1-4-1 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）由兩片74LS161 和一片74LS245 構(gòu)成，其原理如圖1-4-2 所示。PC_B 為三態(tài)門(mén)的輸出使能端，CLR 連接至CON 單元的總清端CLR，按下CLR 按鈕，將使PC 清零，LDPC 和T2 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C

3、PU 內(nèi)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)打入PC。圖1-4-2 程序計(jì)數(shù)器(PC)原理圖本模型機(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）：助記符 機(jī)器指令碼 說(shuō)明IN 0010 0000 INR0ADD 0000 0000 R0 + R0R0OUT 0011 0000 R0OUTJMP addr 1100 0000 * addr PCHLT 0101 0000 停機(jī)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

4、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1-4-3 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1-4-1 所示。圖1-4-3 數(shù)據(jù)通路圖系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)圖1-4-4 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1-3-3 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

5、（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。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1-4-2 即為將圖1-4-2 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”。圖1-4-4 簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖表1-4-2 二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3-S0A字段B字段C 字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 70000100000

6、1110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 0100011000001100000000000133333328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013C00 6D 5D000000000110110101011101設(shè)計(jì)一段機(jī)器程序，

7、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)。地址內(nèi)容 助記符 說(shuō)明0000000000100000; START: IN R0 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R00000000100000000; ADD R0,R0 R0 和自身相加，結(jié)果送 R00000001000110000; OUT R0 R0 的值送 OUT 單元顯示0000001111100000; JMP START 跳轉(zhuǎn)至 00H 地址00000100000000000000010101010000; HLT 停機(jī)三、項(xiàng)

8、目要求及分析：1.試修改現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，將加法指令的功能修改為R0的內(nèi)容和某個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容相加；增加存數(shù)、取數(shù)和減法三條機(jī)器指令，指令助記符分別為 STA、LAD 和SUB，指令操作碼分別為十六進(jìn)制的60、70和80。 四、具體實(shí)現(xiàn)：微程序流程圖：二進(jìn)制代碼表地址十六進(jìn)制高五位 S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D4300000000011011010100001103107072000100000111000001110010042060050010000001100000000001010520040100

9、1000000000010000000001062060070010000001100000000001110710300100010000001100000000000108006D790000000001101101011110010920600A0010000001100000000010100A10300B0001000000110000000010110B00240C00000000001001000000110032183001000110000011000000000001332804010010100000000100000000013500003500000000000000

10、000011010136006D8400000000011011010100010037006D86000000000110110101000110380014080000000000010100000010000C05B201000001011011001000000001微程序：地址內(nèi)容 說(shuō)明0000000000100000; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R00000000100100000; 先讀地址再讀數(shù)據(jù),存入主存0000001001100000; 取出存入主存的數(shù)據(jù)00000011 00000000; R0的值送 OUT 單元顯示0000010000110000; 從 IN 單元讀入

11、數(shù)據(jù)送 R00000010111100000; 進(jìn)行減法運(yùn)算0000011000100000; R0的值送OUT單元顯示0000011100000000;0000100001100000; HLT停機(jī)編寫(xiě)微程序：機(jī)器指令： $P 00 20 ; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0 $P 01 60 ; 先讀地址再讀數(shù)據(jù),存入主存 $P 02 70 ; 取出存入主存的數(shù)據(jù) $P 03 30 ; R0的值送OUT單元顯示 $P 04 20 ; 從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R0 $P 05 80 ; 進(jìn)行減法運(yùn)算 $P 06 30 ; R0的值送OUT單元顯示 $P 07 00 ; $P 08 50 ;

12、HLT停機(jī) 微指令： $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107072 ; MEM->IR, P<1> $M 32 183001 ; IN->R0 $M 36 006D84 ; PC->AR,PC加1 $M 04 206005 ; AR->MEM $M 05 200401 ; R0->MEM $M 37 006D86 ; PC->AR,PC加1 $M 06 206007 ; AR->MEM $M 07 103001 ; MEM->R0 $M 33 280401

13、; R0->OUT $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107072 ; MEM->IR $M 32 183001 ; IN->R0 $M 38 001408 ; R0->A $M 08 006D79 ; PC->AR,PC加1 $M 09 20600A ; AR->MEM $M 0A 10300B ; MEM->R0 $M 0B 00240C ; R0->B $M 0C 05B201 ; A-B->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 00 000001 ; NOP六、所遇問(wèn)題

14、及解決方法：（1）程序運(yùn)行前必須對(duì)微地址清零。撥動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀右下角清零開(kāi)關(guān)CLR（101）后，觀(guān)看實(shí)驗(yàn)儀右上方的微地址顯示燈（UA0-UA5）是否全為零，若全為零，則正確，若不全為零，說(shuō)明有問(wèn)題，要檢查。（2）使用單步微指令運(yùn)行程序，單擊該系統(tǒng)第三行的“單步微指令”圖標(biāo)即可。（3）在每次單步執(zhí)行一條微指令的過(guò)程中，都要觀(guān)察屏幕動(dòng)態(tài)流線(xiàn)顯示的運(yùn)行結(jié)果，根據(jù)屏幕顯示的結(jié)果分析與該條微指令的格式和功能是否一致。若不一致，必須檢查原因。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)收獲豐富，在做這次實(shí)驗(yàn)之前，通過(guò)深入的預(yù)習(xí)，理解了實(shí)驗(yàn)原理、明確了實(shí)驗(yàn)的目的，按部就班地連線(xiàn)，逐步完成了實(shí)驗(yàn)的要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和思考實(shí)驗(yàn)有關(guān)的內(nèi)容，把自己不太明白的問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解清楚，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)懂得了基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與