計算機組成原理實驗八簡單模型計算機實驗

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案實驗八 簡單模型計算機實驗一、 實驗?zāi)康?) 通過實驗分析簡單模型機結(jié)構(gòu)，了解計算機的工作原理。2) 掌握計算機微程序控制器的控制方法，掌握計算機指令執(zhí)行過程二、 實驗原理基本整機模型數(shù)據(jù)框圖如圖所示，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。數(shù)據(jù)的通路從程序計數(shù)器PC的地址送到主存的地址寄存器，根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲單元。存儲器中的數(shù)據(jù)是指令時，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再從總線送到IR中。存儲器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總

2、線，再動總線送到通用寄存器中等待加工。數(shù)據(jù)加工過程中，兩個數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時壓入兩個暫存器中，等待運算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運算結(jié)果是通過三太門送到總線上。三態(tài)門的控制時由微控制器來控制。圖：模型機的數(shù)據(jù)通路圖三、 實驗過程1. 連線按實驗邏輯原理圖連接以下控制信號。1) 時鐘單元（CLOCK UNIT）的T1-T4接到微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的T1-T4.2) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的KA ，KB接到指令單元（INS UNIT）的KA，KB。3) 指令單元（INS UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR 接

3、到的微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR。4) 輸入/輸出單元（INPUT/OUTPUT UNIT）IO-W，IO-R接到微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的IO-W，IO-R,Ai接到地址單元（ADDRESS UNIT）的A0.5) 主存儲器單元（MEM UNIT）M-W、M-R接到微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的M-W、M-R，A7-A0 接到地址單元（ADDRESS UNIT）的A7-A0.6) 地址單元（ADDRESS UNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B接到微程序控制單

4、元（MAIN CONTROLUNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B.7) 通用寄存器單元（REG UNIT）的B-R、R0-B 接到微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的B-DR、DR-B。8) 把算術(shù)邏輯單元（ALU UNIT）的B-DA1、B-A2、ALU-B、Cycn、CyNCn、S3-S0、M、Ci接到微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）的B-DA1、B-A2、ALU-B、Cycn、CyNCn、S3-S0、M、Ci。2. 寫入、檢驗微代碼這項操作與實驗七的操作過程相同3. 裝入機器指令匯編程序操作1) 微程序控制單元（MAIN CONTROL

5、 UNIT）編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。2) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的“STEP/RUN”開關(guān)置于“STEP”狀態(tài)。3) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的KA，KB開關(guān)置于1、0寫主存儲器狀態(tài)。4) 撥動開關(guān)從101，產(chǎn)生一個負脈沖，清零程序計數(shù)器、微地址寄存器。5) 撥動“START”按鈕一次，從微程序控制存儲器的00H微地址開始執(zhí)行微指令，暫停在0AH微地址處。6) 此時在輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上撥入實驗用機器指令匯編程序表中對應(yīng)00H地址的指令碼C0H，接著第二次按動“START”按鈕，暫停在0FH微地址處；第三次按動“START”按鈕，暫停在1CH微地址處；第四次

6、按動“START”按鈕，暫停在1DH微地址處，此時機器指令匯編的第一個字節(jié)已寫入存儲器，程序計數(shù)器PC已加1為01H；第四次按動“START”按鈕，暫停在0AH微地址處，開始寫機器指令匯編程序第二個字節(jié)。7) 第六次至九次按動“START”按鈕與第二次至五次按動“START”按鈕的作用類似，當(dāng)微地址為0AH時，在輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上撥入下一個機器指令匯編程序字節(jié)，程序計數(shù)器PC不斷加1，反復(fù)操作第（6）步直至全部機器碼送入主存器為止。4. 檢查機器指令匯編程序1) 微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。2) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的“ST

7、RP/RUN”開關(guān)置于“STEP”狀態(tài)。3) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的KA、KB開關(guān)置于0、1寫主存儲器狀態(tài)。4) 撥動開關(guān)從1-0-1，產(chǎn)生一個負脈沖，清零程序計數(shù)器PC、微地址寄存器。5) 按動“START”按鈕一次，從微程序控制存儲器00H微地址開始執(zhí)行微指令，暫停在09H微指令處。6) 第二次按動“START”按鈕，暫停在0CH微地址處，此時程序計數(shù)器PC加1為01H，指示的是下一次讀主存儲器的地址，當(dāng)前讀主存儲器的地址為00H；接著第三次按動“START”按鈕，暫停在09H微地址處；第四次按動“START”按鈕，暫停在0EH微地址處。第五次按動“START”按鈕，

8、暫停在09H微地址處，此時輸出顯示燈上顯示主存儲器00H單元中的數(shù)據(jù)。7) 第六至九次按動“START”按鈕的作用與第二至五次按動“START”按鈕的作用類似，在0CH微地址處，程序計數(shù)器PC加1，在09H微地址處顯示主存儲器相對應(yīng)單元中的數(shù)據(jù)，反復(fù)操作第（6）步直至全部機器碼讀出檢查完為止。8) 如果主存儲器中數(shù)據(jù)與表2-26中數(shù)據(jù)不符，則回到第三步裝入機器指令匯編程序的操作過程，重新向主存儲器寫入正確數(shù)據(jù)。5. 單步運行機器指令匯編程序1) 微程序控制單元（MAIN CONTROL UNIT）編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。2) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的“STRP/RUN”

9、開關(guān)置于“STEP”狀態(tài)。3) 手動控制開關(guān)單元（MANUAL UNIT）的KA、KB開關(guān)置于1、1或0、0運行機器碼狀態(tài)。4) 撥動開關(guān)從1-0-1，產(chǎn)生一個負脈沖，清零程序計數(shù)器PC、微地址寄存器。5) 按動“START”按鈕一次，從微程序控制存儲器的00H微地址開始執(zhí)行微指令，暫停在08H或0BH微地址處；第二次按動“START”按鈕，暫停在01H微地址處，開始執(zhí)行機器指令的公共操作。6) 第三次按動“START”按鈕，暫停在02H微地址處；第四次按動“START”按鈕，暫停在03H微地址處；接著第五次按動“START”按鈕，暫停在10H微地址處，準(zhǔn)備各條機器指令的散轉(zhuǎn)。7) 接下來微地

10、址隨著主存儲器中機器指令匯編程序指令的不同而作不同的變化，實驗者可根據(jù)表2-26和表2-15中的內(nèi)容觀察各部件的動作變化。6. 連續(xù)運行機器指令匯編程序1) 微程序控制單元編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。2) 手動控制開關(guān)單元的“STEP/RUN”開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。3) 手動控制開關(guān)單元的KA、KB開關(guān)置于1、1或0、0運行機器碼狀態(tài)。4) 撥動開關(guān)從1-0-1，產(chǎn)生一個負脈沖，清零程序計數(shù)器PC、微地址寄存器。5) 按動“START”按鈕一次，模型計算機將自動執(zhí)行表2-26中的機器指令匯編程序，程序功能是對輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上的數(shù)據(jù)進行連續(xù)加操作，若在輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上撥01H，則進行連續(xù)加“1”操

11、作；若撥03H，則進行連續(xù)加“3”操作。四、 微指令運行步驟 機器指令寫入 控制臺指令 機器指令讀出機器指令執(zhí)行取指 譯碼 機器指令執(zhí)行 執(zhí)行訪存寫回五、 結(jié)果與總結(jié)1) 記錄實驗過程中的情況和原始數(shù)據(jù)。2) 參照算術(shù)加法指令的微程序操作過程，能否自己設(shè)計一條無借位算術(shù)減法指令的微程序操作代碼，以擴充模擬計算機的功能。3) 記錄每條機器指令結(jié)束時的模擬模型計算機各指示燈上的信息，用16進制形式填入表2-27中，并說明這些信息的意義。4) 結(jié)合上面的問題總結(jié)出總線的特性和使用方法，以及解決問題的方法和過程，把觀察到的現(xiàn)象和對書本上原理的理解寫入實驗報告。表2-27 實驗八結(jié)果記錄機器狀態(tài)輸入指示

12、燈總線指示燈微地址指示燈微指令碼指示燈輸出指示燈指示燈信息含義初始狀態(tài)01FF0001C00894將執(zhí)行00地址中的指令01C008H控制臺指令結(jié)束時01FF01DC400294執(zhí)行完后地址跳轉(zhuǎn)至01HIN結(jié)束時01010194輸入01H中的數(shù)據(jù)ADD結(jié)束時01950194與輸入數(shù)相加STA結(jié)束時01950194將結(jié)果送01HOUT結(jié)束時01950195將01H數(shù)據(jù)輸出JMP結(jié)束時01000195跳轉(zhuǎn)至00H六、 附錄 實驗箱介紹PC微機邏輯分析及監(jiān)測（單片機） RS運算器寄存器報警輸入/輸出中斷主存儲器總線微程序控制器指令地址時鐘手動控制開關(guān)實驗儀基本組成框圖1. 簡單模型計算機構(gòu)架簡單模型

13、計算機邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)成簡單模型計算機的實驗部件以總線為基本連接通道，主要有以下7個：1) 算術(shù)邏輯運算部件ALU UNIT進行算術(shù)邏輯運算操作。2) 存儲器部件MEM UNIT，存儲模型計算機匯編語言程序和操作數(shù)據(jù)。3) 地址寄存器部件ADDRESS UNIT,包含兩部分電路，地址寄存器AR：接收存儲器程序中的指令地址和指令中的數(shù)據(jù)地址；指令地址計數(shù)器PC：用于指示程序中的指令地址并通過地址緩沖器送往地址寄存器AR。4) 指令寄存器部件INS UNIT，寄存器當(dāng)前正在執(zhí)行的機器指令，此指令的指令碼通過指令譯碼器向微程序控制器指示相應(yīng)的微程序入口地址；此指令的地址碼指示的操作數(shù)地址，送往

14、地址寄存器AR。5) 輸入/輸出部件INPUT/OUTPUT,操作數(shù)據(jù)的輸入與輸出顯示。6) 通用寄存器部件REG UNIT,暫存運算的中間數(shù)據(jù)。7) 微程序控制器部件MAIN CONTROL UNIT，控制各部件完成指令的功能。圖1-簡單模型計算機邏輯結(jié)構(gòu)圖2. 總線結(jié)構(gòu)總線是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架。借助總線連接，計算機在系統(tǒng)各部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。因此，所謂總線就是指能為多個功能部件服務(wù)的一組公用信息線。 總線傳輸實驗框圖如下圖所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制

15、，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實現(xiàn)總線信息傳輸。3. 運算器ALU運算器ALU由一片ispLSI1024（U47）組成，在選擇端S2、S1、S0控制下，對數(shù)據(jù)A和B進行加、減、與、直通、乘五種運算，功能如下： 運算器功能表選 擇操 作S2S1S0000A & B001A & A(直通)010A + B011A - B100A（低4位）× B（低4位）進位C只在加法運算和減法運算時產(chǎn)生。加運算中，C表示進位；減運算中，C代表借位。加、減運算產(chǎn)生的進位（借位）在T4的上升沿送入C寄存器保存。與、乘、直通操作不影響進位C的狀態(tài)，即進位C保持不變。當(dāng)ALU_BUS=1

16、時，運算結(jié)果送往數(shù)據(jù)總線DBUS。加、減運算產(chǎn)生的進位（借位）C與控制臺的C指示燈相連。4. 地址寄存器地址寄存器AR1（U37）和AR2（U27、U28）提供雙端口存儲器的地址。AR1是一片GAL22V10，具有加1功能，提供雙端口存儲器左端口的地址。AR1從數(shù)據(jù)總線DBUS接收數(shù)據(jù)。AR1的控制信號是LDAR1和AR1_INC。當(dāng)AR1_INC=1時，在T4的上升沿，AR1的值加1；當(dāng)LDAR1=1時，在T4的上升沿，將數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)打入地址寄存器AR1。AR2由2片74HC298組成，有兩個數(shù)據(jù)輸入端，一個來自程序計數(shù)器PC，另一個來自數(shù)據(jù)總線DBUS。AR2的控制信號是LDAR

17、2和M3。M3選擇數(shù)據(jù)來源，當(dāng)M3=1時，選中數(shù)據(jù)總線DBUS；當(dāng)M3=0時，選中程序計數(shù)器PC。LDAR2控制何時接收地址，當(dāng)LDAR2=1時，在T2的下降沿將選中的數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)打入AR2。 5. 指令寄存器指令寄存器IR是一片74HC374（U20）。它的數(shù)據(jù)端從雙端口存儲器接收數(shù)據(jù)（指令）。當(dāng)LDIR=1時，在T4的上升沿將來自雙端口存儲器的指令打入指令寄存器IR保存。指令的操作碼部分送往控制器譯碼，產(chǎn)生各種所需的控制信號。大多數(shù)情況下，指令的操作數(shù)部分應(yīng)連到寄存器堆（用戶自己連接），選擇參與運算的寄存器。在某些情況下（條件轉(zhuǎn)移指令時），指令的操作數(shù)部分也參與新的PC的計算。本實驗系統(tǒng)

18、設(shè)計了12條基本的機器指令，均為單字長（8位）指令。指令功能及格式如表2所示。表2中的X代表隨意值；RS1、RS0指的是寄存器堆的B端口選擇信號RS1、RS0；RD1、RD0指的是寄存器堆的A端口選擇信號RD1、RD0，不過由于運算結(jié)果需寫回，因此它也同時指WR1、WR0，用戶需將它們對應(yīng)連接。另一點需說明的是，為了簡化運算，指令JC D中的D是一個4位的正數(shù)，用D3 D2 D1 D0表示。機器指令格式名 稱助 記 符功 能指令格式R7 R6 R5 R4R3 R2R1 R0加法ADD Rd,RsRd+Rs®Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0減法SUB Rd,RsRd-Rs®Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MUL Rd,RsRd*Rs®