第六節(jié)CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗

第六節(jié)CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗CPU組成與機器指令執(zhí)行實驗一、實驗目的1）將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個數(shù)據(jù)通路）聯(lián)機，組成一臺模型計算機；（2）用微程序控制器控制模型機數(shù)據(jù)通路；3）經(jīng)過CPU運轉(zhuǎn)九條機器指令（消除中止指令）組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關系，牢固建立計算機的整機觀點。二、實驗電路本次實驗用到前面四個實驗中的全部電路，包含運算器、儲藏器、通用寄存器堆、程序計數(shù)器、指令寄存器、微程序控制器等，將幾個模塊組合成為一臺簡單計算機。所以，在基本實驗中，這是最復雜的一個實驗，也是最能獲得收獲的一個實驗。在前面的實驗中，實驗者自己作為“控制器”，完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本次實驗中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成。CPU從內(nèi)存拿出一條機器指令到執(zhí)行指令結(jié)束的一個機器指令周期，是由微指令組成的序列來完成的，即一條機器指令對應一個微程序。三、實驗設備1）TEC－４計算機組成原理實驗系一致臺（2）雙蹤示波器一臺（3）直流萬用表一只（4）邏輯測試筆一支四、實驗任務（1）對機器指令系統(tǒng)組成的簡單程序進行譯碼。將下表的程序按指令格式手工匯編成十六進制機器代碼，此項任務應在預習時完成。2）依據(jù)下邊框圖，參照前面實驗的電路圖完成連線，控制器是控制部件，數(shù)據(jù)通路（包含上邊各模塊）是執(zhí)行部件，時序產(chǎn)生器是時序部件。連線包含控制臺、時序部分、數(shù)據(jù)通路和微程序控制器之間的連接。此中，為把操作數(shù)傳達給通用寄存器組RF，數(shù)據(jù)通路上的RS1、RS0、RD1、RD0應分別與IR3至IR0連接，WR1、WR0也應接到IR1、IR0上。開關控制控制臺時序發(fā)生器開關控制指示燈信號控制信號時序信號控制信號微程序控制器數(shù)據(jù)通路指令代碼、條件信號模型計算機連線表示圖3）將上述任務（1）中的程序機器代碼用控制臺操作存入內(nèi)存中，并依據(jù)程序的需要，用數(shù)碼開關SW7―SW0設置通用寄存器R2、R3及內(nèi)存相關單元的數(shù)據(jù)。注意：因為設置通用寄存器時會破壞內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)，所以一般應先設置寄存器的數(shù)據(jù)，再設置內(nèi)存數(shù)據(jù)。（4）用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序，列表記錄通用寄存器堆RF中四個寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)（程序結(jié)束后從RAM的相應單元中讀出），與理論解析值作比較。單拍方式執(zhí)行時注意察看微地址指示燈、IR/DBUS指示燈、AR2／AR1指示燈和判斷字段指示燈的值，以追蹤程序中取指令和執(zhí)行指令的詳細過程（可察看到每一條微指令）。（5）以單指（DZ）方式重新執(zhí)行程序一遍，注意察看IR/DBUS指示燈、AR2/AR1指示燈的值（可察看到每一條機器指令）。執(zhí)行結(jié)束后，記錄RF中四個寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論解析值作比較。注意：單指方式執(zhí)行程序時，四個通用寄存器和RAM中的原始數(shù)據(jù)與第一遍執(zhí)行程序的結(jié)果相關。6）以連續(xù)方式（DB、DP、DZ都設為０）再次執(zhí)行程序。這類狀況相當于計算機正常運轉(zhuǎn)程序。因為程序中有停機指令STP，程序執(zhí)行到該指令時自動停機。執(zhí)行結(jié)束后，記錄RF中四個寄存器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論解析值作比較。同理，程序執(zhí)行前的原始數(shù)據(jù)與第二遍執(zhí)行結(jié)果相關。五、實驗步驟和實驗結(jié)果1）對機器指令系統(tǒng)組成的簡單程序進行譯碼。2）接線本實驗的接線比很多，需仔細。1．將跳線開關J1用短路子短接。時序發(fā)生器的輸入TJI接控制儲藏器的輸出TJ?？刂破鞯妮斎隒接運算器ALU的C?？刂破鞯妮斎隝R7、IR6、IR5、IR4挨次指令寄存器IR的輸出IR7、IR6、IR5、IR4。共6條線。2．控制器的輸出LDIR（CER）、LDPC(LDR4)、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、M1（M2）、S2、S1、S0

挨次與數(shù)據(jù)通路的對應信號連接。共

27條線。

3．指令寄存器

IR的輸出

IR0接雙端口寄存器堆的

RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接

RS0，IR3接

RS1。共

6條線。合上電源。按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。3）存程序機器代碼，設置通用寄存器R2、R3及內(nèi)存相關單元的數(shù)據(jù)。設置通用寄存器R2、R3的值。在本操作中，我們打算使R2=60H，R3=61H。1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使實驗系統(tǒng)處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA=1，使實驗系統(tǒng)處于寄存器加載工作方式KLD。按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2．在SW7―SW0上設置一個儲藏器地址，該儲藏器地址供設置通用寄存器使用。該儲藏器地址最好是不常用的一個地址，省得設置通用寄存器操作破壞重要的儲藏器單元的內(nèi)容。比方可將該地址設置為0FFH。按一次QD按鈕，將0FFH寫入AR0和AR1。3．在SW7―SW0上設置02H，作為通用寄存器R2的寄存器號。按一次QD按鈕，則將02H寫入IR。4．在SW7―SW0設置60H，作為R2的值。按一次QD按鈕，將60H寫入IR指定的R2寄存器。5．在SW7―SW0上設置03H，作為通用寄存器R3的寄存器號。按一次QD按鈕，將03H寫入IR。6．在SW7―SW0設置61H，作為R3的值。按一次QD按鈕，將61H寫入R3。7．設置R2、R3結(jié)束，按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。存程序機器代碼。本操作中，我們從00地址開始存10個機器代碼：58H，5DH，04H，95H，3EH，1BH，4BH，24H，60H，84H。在60H存入24H，用于給R0置初值；在61H存入83H，用于給R0置初值。1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使實驗系統(tǒng)處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA0，使實驗系統(tǒng)處于寫雙端口儲藏器工作方式KWE。按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。

2．置

SW7―SW0

為00H，按

QD

按鈕，將

00H

寫入

AR1。

3．置

SW7―SW0

為58H，按

QD

按鈕，將

58H

寫入儲藏器

00H

單元。

AR1

自動加1，變成01H。4．置SW7―SW0為5DH，按QD按鈕，將5DH寫入儲藏器01H單元。AR1自動加1，變成02H。5．按QD按鈕，使AR1+1。AR1此時為02H。6．重復進行下去，向到達將84H寫入儲藏器09H單元。按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。7．置SW7―SW0為60H，按QD按鈕，將60H寫入AR1。8．置SW7―SW0為24H，按QD按鈕，將24H寫入儲藏器60H單元。AR1自動加1，變成61H。9．置SW7―SW083H，按QD按鈕，將83H寫入儲藏器61H單元。按CLR#按鈕，使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序。在單拍執(zhí)行過程中，第一要隨時監(jiān)測AR2的值和IR的值，以判斷程序執(zhí)行到哪處，正在執(zhí)行哪條指令。監(jiān)測微地址指示燈和判斷字段指示燈，比較微程序流程圖，可以判斷出微指令的地址和正在進行的微操作。程序執(zhí)行的結(jié)果以下：初值：R0不決，R1不決，R2=60H，R3=61H。儲藏器60H單元的內(nèi)容是24H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=24H。2．LDAR1,[R3]執(zhí)行結(jié)果R3=61H，R1=83H。3．ADDR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=0A7H，R1=83H，C=0。4．JC+5執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，因為C=0。5．ANDR2,R3執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=61H。6．SUBR3,R2執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H7．STAR3,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H，儲藏器60單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=15H，R1=83H9．STP執(zhí)行結(jié)果：無變化10．JMP[R1]執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到83H。第一遍執(zhí)行結(jié)束。執(zhí)行結(jié)果是

R0=15H，R1=83H

，R2=60H，R3=01H，儲藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。（5）用單指（DZ）方式執(zhí)行一遍程序。初值:R0=15H，R1=83H，R2=60H，R3=01H，儲藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=01H。2．LDAR1,[R3]執(zhí)行結(jié)果R3=01H，R1=5DH。3．ADDR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=5EH，R1=5DH，C=04．4．JC+5執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，因為C=0。5．ANDR2,R3執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H。6．SUBR3,R2執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H7．STAR3,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H，儲藏器00單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1執(zhí)行結(jié)果R0=0B6H，R1=5DH9．STP執(zhí)行結(jié)果：無變化10．JMP[R1]執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到

5DH第二遍執(zhí)行結(jié)束。執(zhí)行結(jié)果是

R0=B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，儲藏器

60H

單元的內(nèi)容是

01H，61H

單元的內(nèi)容是

83H，00H

單元的內(nèi)容為

01H。（6）用連續(xù)方式執(zhí)行一遍程序因為00單元的內(nèi)容已被更正，所以在執(zhí)行前應第一恢復00H單元的內(nèi)容58H。初值：R0=0B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，儲藏器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H，00H單元的內(nèi)容為58H。1．LDAR0,[R2]執(zhí)行結(jié)果R2=0