五邑大學(xué)計組實(shí)驗五 CPU與簡單模型機(jī)設(shè)計實(shí)驗

1、計算機(jī)組成原理 實(shí) 驗 報 告 學(xué) 院： 計算機(jī)學(xué)院 專 業(yè)： 班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 實(shí)驗日期： 指導(dǎo)老師： 五邑大學(xué)計算機(jī)學(xué)院計算機(jī)組成原理實(shí)驗室 實(shí) 驗 五 CPU與簡單模型機(jī)實(shí)驗報告一、實(shí)驗?zāi)康?1) 掌握一個簡單 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(jī)。(3) 為其定義五條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。二、實(shí)驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA 實(shí)驗系統(tǒng)一套。3、 實(shí)驗原理 本實(shí)驗要實(shí)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(jī)。CPU 由運(yùn)算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存

2、器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）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(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(jī)。 除了程序計數(shù)器（PC），其余部件在前面的實(shí)驗中都已用到，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，按下CLR 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)LO

3、AD為低時，計數(shù)時鐘到來后將CPU 內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入PC。 本模型機(jī)和前面微程序控制器實(shí)驗相比，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)器指令碼說明IN 0010 0000 IN R0 ADD 0000 0000 R0 + R0 R0 OUT 0011 0000 R0 OUT JMP addr 1110 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 對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微程序控制器實(shí)驗的指

4、令是通過手動給出的，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(shí)驗在前一個實(shí)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5-1-1 所示。 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<1>測試。指令譯碼原理見圖3-2-3 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> 的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的高6 位（IR7IR2）作

5、為測試條件，出現(xiàn)路分支，占用個固定微地址單元，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。 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 的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。 設(shè)計一段機(jī)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(shí)驗步驟1. 按圖 5-1-5 連接實(shí)驗線路。2. 寫入實(shí)驗程序，并進(jìn)行校驗，分兩種方式，手動寫入和聯(lián)機(jī)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) KK

6、1 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 SD05SD00 給出微地址，IN 單元給出低 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)寫到該單元的低 8 位。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK5 置為加 1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)寫到該單元的中 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)寫到該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，將表 5-1-2 的微代碼寫入 2816 芯

7、片中。圖 5-1-5 實(shí)驗接線圖 (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 M7M0 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 1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 M15M8 顯示該單元的中 8 位，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 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、

8、校驗，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。(3) 手動寫入機(jī)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 SD07SD00 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（地址自動加 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 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)

9、ST，即可完成對該單元的寫入。 亦可重復(fù)、兩步，將所有機(jī)器指令寫入主存芯片中。(4) 手動校驗機(jī)器程序?qū)r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 SD07SD00 給出地址，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 D7D0 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 D7D0 顯示該單元的數(shù)據(jù)。此后每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

10、燈 D7D0 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(jī)寫入和校驗3. 運(yùn)行程序方法一：本機(jī)運(yùn)行將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)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 和微程序地址為 00H，程序可以從頭開始運(yùn)行，暫存器 A、B，指令寄存器 IR 和 OUT 單元也會被清零。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

11、可單步運(yùn)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(yùn)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(jī)執(zhí)行完 JMP 指令后，檢查 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(jī)器程序，從 OUT 單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正確。5、 實(shí)驗結(jié)果當(dāng)模型機(jī)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(jī)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(shí)驗成功。6、 分析討論 與微程序控制器實(shí)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(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(jī)。六、實(shí)驗心得本實(shí)驗有如何構(gòu)建一個簡單 CPU 的全部過程，并且在此 CPU