五邑大學(xué)計組實驗五CPU與簡單模型機設(shè)計實驗

1、計算機組成原理實 驗報告學(xué) 院:計算機學(xué)院專 業(yè):班級學(xué)號:學(xué)生姓名：實驗日期：指導(dǎo)老師：五邑大學(xué)計算機學(xué)院計算機組成原理實驗室實驗五CPU與簡單模型機實驗報告一、實驗?zāi)康模?）厳握一個簡單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)造一臺基本模型計算機。（3）為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試掌握整機概 念。實驗設(shè)備PC機一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。三、實驗原理本實驗要實現(xiàn)一個簡單的CPU,并且在此CPU的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個簡單的模型計算 機。CPU由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）,指令寄存器（IR）、 程序計數(shù)器（PC）

2、和地址寄存器（AR）組成，如圖5-1-1所示。這個CPU在寫入相應(yīng)的微指 令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存半中，CPU必須和主存 掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該CPL：的基礎(chǔ)卜增加一個主存和基本的輸入輸出部 件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。IS 5-1-1基本CPL枸成原理圖除了程序計數(shù)器（PC） 其余部件在前面的實驗中都己用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程 序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD芯片中。CLR連接至CON單元的總清 端CLR,按KCLR按鈕，將使PC清零，LDPC和T3相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當(dāng)LOAD 為低時，計數(shù)時鐘到來后

3、將CPU內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入PC。LDPCT3 cu本模型機和前面微程序控制器實驗柑比.新增加一條跳轉(zhuǎn)指令DIP，共有五條指令：IN（輸入）、ADD （二進(jìn)制加法）、OUT （輸出）、JMP （無條件轉(zhuǎn)移），HLT （停機），其指令 格式如下（高4位為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN 0010 0000 IX R0ADD 0000 0000 RO + RO ROOUT 0011 0000 R0 OUTJMP addr 1110 0000 * addr PCHLT 0101 0000 停機英中JMP為雙字節(jié)指令，英余均為單字節(jié)指令，*為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微 程序控制器實驗的指令是通過于

4、動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。根 據(jù)以上要求，設(shè)計數(shù)據(jù)通路圖，如圖5-1-3所示。本實驗在前一個實驗的基礎(chǔ)上增加了三個部件，一是PC （程序計數(shù)器），另一個是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511所示。圖513數(shù)旅通賂田表 5-1-1 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22RDI0MS3-S0A字段BY段C7段MA5-MA0系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖5-1-4所示，當(dāng)擬定“取指”微指令時.該微指令的判 別測試字段為P測試。指令譯碼原理見圖3-2-3所示，由于“

5、取指”微指令是所有微程序 都使用的公用微指令，因此P的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的高6位（IR7 -IR2）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元，剩下的其它地方就可以 一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫，微程序流程圖上的單元地址為16進(jìn)制。8圖5-14簡單模型機微程序流程圖當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表5-1-2即為將圖5-1-4的微程序 流槿圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。2二謎創(chuàng)微代硯浸地址1十六進(jìn)制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-M/K00000 00 01000000000(XX)0000000000010100

6、6D 130000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 21 0500000000001001000000010105(M B2 010000010010110010000000011D10 31 410001000001010001010000013000 11 010000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 01 010010100000000100000000013500 00 3500000000000000000011010

7、13C00 6D 50000000000110110101011101設(shè)計一段機器程序，要求從IN單元讀入一個數(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。四、實驗步驟1. 按圖5-1-5連接實驗線路。2. 寫入實驗程序，并進(jìn)行校驗，分兩種方式，手動寫入和聯(lián)機寫入。1)手動寫入和校驗(1)手動寫入微程序 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為編程 檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05SDOO給岀微地址，IN單元給岀低8位 應(yīng)行入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到 該單元的低8位。 將時序

8、與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加r檔。 IN單元給出中8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的 開關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的屮8位。IN單元給出高8位應(yīng)寫入 的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時仔與操作臺的開關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高8位。 重復(fù)、四步，將表5-1-2的微代碼寫入2816芯片中。圖5-1-5實驗接線圖TS4TlMC單元IAUiLdSRLIJH：PCJiPOUR中兀-OJ-O-YYR -ORl) -O m -oYVRn-_o_o-xkjwQ-oXIORALLh-OUMIMRD10M呼 RD Jif)IN單元心牛WR Q -o -G禪-O Rl)IJJ1R J-ORd-O

9、SK)KB7XWi*mO擴展吶兒z)Q-dA7 rDOr wLBAIJI1地址總找 XA7CPU內(nèi)總線歲DT)o-| ihir o- pwSRO- llAAD6 WAR 3C*T7Tfo-ro_FXIVAI UREG jl(2) 手動校驗微程序 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為，校驗 檔，KK4置為控存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動時序與 操作臺的開關(guān)ST, MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M7一一M0顯示該單元的低8位。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加r檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST, MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15

10、M8顯示該單元的屮8位，MC單元的指數(shù)據(jù)折示燈M23M16顯示該 單元的高8位。 重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗。如果校驗出微代 碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。(3) 手動寫入機器程序 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為，編程 檔，KK4置為主存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD07SDOO給出地址，IN單元給出該單元應(yīng) 寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該 存儲器單元。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 IN單元給出下一地址(地址口動加1)應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按 動時序與操作臺的開關(guān)ST,將

11、IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元中。然后地址會又自 加1,只需在IN單元輸入后續(xù)地址的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST,即可完成對該單元的寫入。 亦可重復(fù)、兩步，將所有機器指令寫入主存芯片中。(4) 手動校驗機器程序 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1置為停止檔，KK3置為校驗 檔，KK4置為主存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD07SDOO給岀地址，連續(xù)兩次按動時序與操 作臺的開關(guān)ST, CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7一一DO顯示該單元的數(shù)據(jù)。 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān)ST,地址自動加1, CPU內(nèi)總線 的指數(shù)據(jù)指示燈D7一一DO顯示

12、該單元的數(shù)據(jù)。此后每兩次按動時庁與操作臺的 開關(guān)ST,地址自動加1, CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7一一DO顯示該單元的 數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行該操作，直至完成校驗，如發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回寫入，然后校驗, 直至確認(rèn)輸入的所有指令準(zhǔn)確無誤。 亦可重復(fù)、兩步，完成對指令碼的校驗。如果校驗出指令碼寫 入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認(rèn)指令碼的輸入無誤為止。2)聯(lián)機寫入和校驗3. 運行程序方法一：本機運行將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為運行檔，按動CON單元的 總清按鈕CLR,將使程序計數(shù)器PC、地址寄存器AR和微程丿子地址為00H,程 序可以從頭開始運行，暫存器A、B,指令寄存器IR和OUT單元也會被清

13、零。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK2置為單步檔，每按動一次ST按鈕， 即可單步運行一條微指令，對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一 致。每運行完一條微指令，觀測一次CPU內(nèi)總線和地址總線，對照數(shù)據(jù)通路圖， 分析總線上的數(shù)據(jù)是否正確。當(dāng)模型機執(zhí)行完JMP指令后，檢査OUT單元顯示的數(shù)是否為IN單元值的2 倍，按下CON單元的總清按鈕CLR,改變IN單元的值，再次執(zhí)行機器程序, 從OUT單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正確五、實驗結(jié)果 當(dāng)模型機執(zhí)行完JMP指令后，按要求輸入自己學(xué)號的后兩位（20）到IN單元， 這時OUT單元顯示的數(shù)為40,是IN單元值的2倍，按下CON單元的總清按 鈕CLR,改變IN單元的值，再次執(zhí)行機器程序，從OUT單元顯示的數(shù)判別程 序執(zhí)行正確，依然為IN單元數(shù)的2倍，實驗成功。六、分析討論與微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉(zhuǎn)指令JMP,即為無條件轉(zhuǎn)移。CPU 在寫入微指令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存 當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以該CPU增加一個主存和 基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。六、實驗