帶移位的簡單模型機實驗報告

1、計計算算機機組組成成原原理理課課程程設(shè)設(shè)計計報報告告設(shè)計題目設(shè)計題目 基本模型機的 設(shè)計與實現(xiàn) 專業(yè)班級專業(yè)班級 計算機科學(xué)與技術(shù) 1221 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號號 時時 間間 2012. 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 李松濤 課程設(shè)計成績評定表課程設(shè)計成績評定表指導(dǎo)教師評語：成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日1 1設(shè)計背景設(shè)計背景 .1 12 2設(shè)計目標設(shè)計目標 .1 13 3概要設(shè)計概要設(shè)計 .2 231 設(shè)計目的.23.2 設(shè)計內(nèi)容.24 4詳細設(shè)計詳細設(shè)計 .4 441 系統(tǒng)需求分析.442 系統(tǒng)目標.443 功能分析.544 詳細步驟.54.4.1 根據(jù)實驗原理設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖。.54.4.2 根據(jù)

2、機器指令畫出對應(yīng)的微程序流程圖.54.4.3 根據(jù)微程序流程圖設(shè)計微指令并轉(zhuǎn)換成 16 進制代碼文件。.64.4.4 寫程序.74.4.5 實驗接線.84.4.6 仔細查線無誤后接通電源.94.4.7 讀寫微程序和程序.94.4.8 運行程序.105 5調(diào)試與分析調(diào)試與分析 .11115.1 調(diào)試步驟.115.5.1 初始狀態(tài).115.5.2 從實驗電路中裝入第一個加數(shù) 00000110 到 R0 中。.115.5.3 將 RAM 中另外一個加數(shù) 13H 送入 DR2 中.125.5.4 經(jīng)過運算最終結(jié)果.125.2 驗證分析.136 6總結(jié)總結(jié) .1313參考文獻（資料）參考文獻（資料） .

3、1414 11設(shè)計背景通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學(xué)習(xí)，嘗試設(shè)計六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號。在設(shè)計基本模型機 4 的實驗過程中，個別部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本課程設(shè)計將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU 從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一條微程序。本課程設(shè)計要求實現(xiàn)六條機器指令：IN（輸入)，與

4、ADD（邏輯加），STA（存數(shù)），OUT（輸出），JMP（跳轉(zhuǎn)），RL（左移）。2設(shè)計目標在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。本次課程設(shè)計主要是為其定義六條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試運行，形成整機概念。用微程序控制器實現(xiàn)以下指令功能，設(shè)計各指令格式以及編碼，并實現(xiàn)各機器指令微代碼，根據(jù)定義的機器指令，自擬編寫加 ADD,循環(huán)左移 RLC 的應(yīng)用程序。全部微指令設(shè)計完畢后，編寫二進制代碼，即使每條指令代碼化。連接線路在計算機組成原理教學(xué)實驗箱上運行，并顯示輸出實驗結(jié)果。 23概要設(shè)計31 設(shè)計目的1. 在掌握部件單元

5、電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺稍微復(fù)雜的模型計算機。2. 為其定義六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機調(diào)試掌握整機概念。3.2 設(shè)計內(nèi)容部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實驗將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能，這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU 從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。 本實驗采用六條機器指令：IN,OUT,STA,加 ADD,左移 RL，JMP 其指格式如下：地址 內(nèi)容 助記符 說明00000000 0000

6、0000 IN ； “輸入開關(guān)量”R0 00000001 00010000 ADD0DH ； R00DHR0 00000010 00001010 00000100 01110000 RL 00000101 00100000 STA0BH 00000110 00001011 ； R00BH 00000111 00110000 OUT0BH 00001000 00001110 ； 0BHBUS 00001001 01000000 JMP 00H ；00HPC 00001010 00000000 00001011 01000000 ；自定義數(shù)據(jù)00001100 ；結(jié)果存放 3單為了向 RAM 中裝入

7、程序和數(shù)據(jù),檢查寫入是否正確,并能啟動程序執(zhí)行,還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序.存儲器讀操作:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB,SWA 為”0 0”時,按 START微動開關(guān),可對 RAM 連續(xù)手動讀操作.存儲器寫操作:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB SWA 置為”0 1”時,按 START微動開關(guān)可對 RAM 進行連續(xù)手動寫入.啟動程序:撥動總清開關(guān) CLR 后,控制臺開關(guān) SWB SWA 置為“1 1”時,按 START微動開關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第 01 號“取址”微指令,啟動程序運行.上述三條控制臺指令用兩個開關(guān) SWB SWA 的狀態(tài)來設(shè)置,其定義如下表3-1表 3

8、-1 讀寫變化SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫內(nèi)存（KWE）啟動程序（RP）根據(jù)以上要素設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖,如圖 3-1：圖 3-1 數(shù)據(jù)通路框圖 4下面介紹指令寄存器（IR）：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，先把他從內(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P (1)，通過節(jié)拍脈沖 T4 的控制以便識別所要求的操作。“指令譯碼器：”（實驗板上標有“INS DECODE”的芯片）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

9、地址。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（INPUT DEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUT DEVICE）。例如：輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，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)送到數(shù)據(jù)總線上，當寫信號（W/E）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。4詳細設(shè)計41 系統(tǒng)需求分析一臺計算機所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計算機只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機的機器語言。指令系統(tǒng)表征著計算機的基本功能和使用屬性，它是計算機系統(tǒng)設(shè)計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計

10、主要括指令功能、操作類型的設(shè)計，尋址方式和指令格式的設(shè)計。 計算機的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)反映了計算機的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計算機執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計算機中所有機器指令的集合。通常性能較好的計算機都設(shè)置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 542 系統(tǒng)目標在基本模型機的基礎(chǔ)上改進并實現(xiàn) IN,OUT,STA, ADD, RL,JMP 六條指令。43 功能分析該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行連續(xù)的加左移運算，并對其結(jié)果進行存儲，顯示等功能，從而得到

11、一個簡易的復(fù)雜模型機所實現(xiàn)的功能。44 詳細步驟4.4.1 根據(jù)實驗原理設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖。 4.4.2 根據(jù)機器指令畫出對應(yīng)的微程序流程圖 本實驗的微程序流程見圖 4-1、4-2，當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為 P（1）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 P（1）的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的前 4 位 I7I4 作為測試條件，出現(xiàn) 5 路分支，占用 5 個固定微地址單元。 實驗機控制操作為 P（4）測試，它以控制開關(guān) SWC、SWA 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

12、以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。 注意：微程序流程圖上的單元地址為 16 進制。 圖 4-1 微程序流程圖 6圖 4-2 微程序流程圖4.4.3 根據(jù)微程序流程圖設(shè)計微指令并轉(zhuǎn)換成 16 進制代碼文件。當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，即按微指令格式將 4-1 和 4-2微程序流程圖轉(zhuǎn)化成二進制微代碼表，如表 4-1 所示，再轉(zhuǎn)換成 16 進制代碼文件。微地址S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8ABCuA5 -uA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11101101100

13、0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11000000010 0 1 0 0 0 70 30 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 0 1 0 00 40 0 0 0 0 0 0 0 10110000000 0 0 1 0 10 50 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 00 61 0 0 1 0 1 0 1 10011010000 0 0 0 0 10 70 0 0 0 0 0 0 0 11101101100 0 1 1 0 11 00 0 0 0 0 0 0 0 01101101100 0 0 0 0 11 10 0 0

14、0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 11 20 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 1 1 11 30 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 1 1 1 01 40 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 1 01 50 0 0 0 0 0 1 0 10000010000 0 0 0 0 11 60 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 1 11 70 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 0 12 00 0 0 0 0 0 0 1 1110110110

15、0 1 0 0 1 02 10 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 0 02 20 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0 1 1 12 30 0 0 0 0 0 0 1 10000000000 0 0 0 0 12 40 0 0 0 0 0 0 0 00100000000 1 1 0 0 02 50 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 0 0 0 0 12 60 0 0 0 0 0 0 0 11010001100 0 0 0 0 12 70 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 1 0 0 0 03 00 0 0

16、0 0 1 1 0 10001010000 1 0 0 0 1表 4-1 二進制微代碼表4.4.4 寫程序聯(lián)機讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及表 52 微指令二進制表成十六進制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼微 將表 52 中的 24 位微代碼按從左到右分成 3 個 8 位，將此三個 8 位二進制代碼化為相應(yīng)的十六進制數(shù)即可。程 序$P0000$P0110$P020A$P0370$P0420$P050B$P0630$P070B 8$P0840$P0900$P0A13微程序$M00088105$M0182ED05$M0250C004$M0304E004$M0405B004$M0506

17、A205$M06019A95$M070FE004$M088AED05$M098CED05$M0A0EA004$M0B018004$M0C0D2004$M0D098A06$M0E080A07$M0F018206$M10011004$M1183ED01$M1287ED05$M1399ED05$M149CED05$M151D8235$M161F8235$M17218235$M18238235$M191AE004$M1A1BA004$M1B010A07$M1C81D104$M1D1E8825$M1E019805$M1F20882D$M20019805$M21228815$M22019805$M2324

18、881D$M24019805$M393A881D$M3A019805$M3B080A07 9$M3C098A064.4.5 實驗接線 在實驗 4.1 的基礎(chǔ)上，將 ALUO2 連 BUS4，ak 與實驗 4.1 相同，詳細如下： a、跳線器 J1J12 全部撥在右邊（自動工作方式） ； b、跳線器 J16、J18、J23、J24 全部撥在左邊； c、跳線器 J13J15、J19、J25 全部撥在右邊； d、跳線器 J20J22、J26、J27 連上短路片； e、UJ1 連 UJ2，JSE1 連 JSE2，SJ1 連 SJ2； f、MBUS 連 BUS2； g、REGBUS 連 BUS5； h、

19、PCBUS 連 EXJ2； i、 ALUBUS 連 EXJ3； j、 ALUO1 連 BUS1； k、EXJ1 連 BUS3； l、 ALUO2 連 BUS4。 4.4.6 仔細查線無誤后接通電源 4.4.7 讀寫微程序和程序 手動方法寫微程序參看實驗三。 手動方法寫代碼程序（機器指令）步驟如下： 通過上一步將機器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入 E2ROM 2816 芯片后，再進行機器指令程序的裝入和檢查。 A. 將“編程開關(guān)”置“運行”位置， “運行方式”開關(guān)置“單步”位置。 B. 撥動總清開關(guān)（01） ，微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制開關(guān) SWC、SWA 開關(guān)置為“0 1” ，按

20、動一次“啟動運行”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0LUA5 顯示“001001” ，再按動一次“啟動運行”開關(guān)，微地址顯示燈 LUA0LUA5 顯示“001100” ，此時數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機器指令，再按動一次“啟動運行”開關(guān)，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀微程序流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址只要第一次給入即可，PC 會自動加 1，所以，每次按動“啟動運行”開關(guān)，只有在微地址燈顯示“001100”時，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。 10C. 寫完程序后須進行檢驗。撥動總清開關(guān)(01)后，微地址清零，PC 程序計數(shù)器清零，然后使控制開關(guān) SWC、SWA 為“0 0” ，按動“啟動運

21、行”開關(guān)，微地址燈將顯示“001000” ，再按“啟動運行”開關(guān)，微地址燈顯示為“001010” ，再按動“啟動運行”開關(guān)，微地址燈顯示為“001110” ，此時總線數(shù)據(jù)顯示燈 LZD0LZD7 顯示為該首地址的內(nèi)容，再按動一次“啟動運行”開關(guān)，微地址燈顯示為“010000” ，2 位數(shù)碼管即顯示 RAM 中的程序。不斷按動“啟動運行”開關(guān)，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。 注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，2 位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中的機器指令內(nèi)容。 聯(lián)機讀/寫微程序和程序 用聯(lián)機軟件的裝載功能將 16 進制格式文件（文件名為 C8JHE2）裝入實驗機即可（詳細操作見隨機軟件的 R

22、EADME） 。 4.4.8 運行程序 單步運行程序 A. “編程開關(guān)”置“運行”狀態(tài)， “運行方式”開關(guān)置為“單步”狀態(tài),“運行控制”開關(guān)置為“運行”狀態(tài)。 B. 撥動總清開關(guān)(01)，微地址清零，PC 計數(shù)器清零，程序首地址為 OOH。 C. 按動“啟動運行”開關(guān)，即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。 連續(xù)運行程序 A. “編程開關(guān)”置“運行”狀態(tài)， “運行方式”開關(guān)置為“連續(xù)”狀態(tài),“運行控制”開關(guān)置為“運行”狀態(tài)。 B. 撥動總清開關(guān)，清微地址及 PC 計數(shù)器，按動“啟動運行”開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)行程序。如果要停止程序的運行，只需將“運行控制”開關(guān)置為“停止”狀態(tài)，系統(tǒng)就停機。 C. 本實驗的運行結(jié)果最終顯示在輸出設(shè)備 2 位數(shù)碼管上。 115 調(diào)試與分析5.1 調(diào)試步驟5.5.1 初始狀態(tài)下圖 5-1 為初始狀態(tài)圖 5-1 初始狀態(tài)5.5.2 從實驗電路中裝入第一個加數(shù) 00000110 到 R0 中。如下圖 5-2 裝數(shù) 12圖 5-2 裝數(shù)5.5.3 將 RAM 中另外一個加數(shù) 13H 送入 DR2 中如下圖 5-3 存另一個數(shù)圖 5-3 存另一個數(shù)5.