CPU与简单模型机设计实验

CPU与简单模型机实验报告本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器、微程序控制器、通用寄存器，指令寄存器、程序计数器和地址寄存器组成。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。一、实验目的(1)掌握一个简单CPU的组成原理。(2)在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。(3)为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。二、实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。三、实验原理四、实验步骤1.按图5-1-5连接实验线路。2.写入实验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入。1)手动写入和校验(1)手动写入微程序①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档，KK3置为‘编程’档，KK4置为‘控存’档，KK5置为‘置数’档。②使用CON单元的SD05——SD00给出微地址，IN单元给出低8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的低8位。③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。④IN单元给出中8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的中8位。IN单元给出高8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的高8位。⑤重复①、②、③、④四步，将表5-1-2的微代码写入2816芯片中。图5-1-5实验接线图(2)手动校验微程序①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档，KK3置为‘校验’档，KK4置为‘控存’档，KK5置为‘置数’档。②使用CON单元的SD05——SD00给出微地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC单元的指数据指示灯M7——M0显示该单元的低8位。③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。④连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC单元的指数据指示灯M15——M8显示该单元的中8位，MC单元的指数据指示灯M23——M16显示该单元的高8位。⑤重复①、②、③、④四步，完成对微代码的校验。如果校验出微代码写入错误，重新写入、校验，直至确认微指令的输入无误为止。(3)手动写入机器程序①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档，KK3置为‘编程’档，KK4置为‘主存’档，KK5置为‘置数’档。②使用CON单元的SD07——SD00给出地址，IN单元给出该单元应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该存储器单元。③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。④IN单元给出下一地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元中。然后地址会又自加1，只需在IN单元输入后续地址的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，即可完成对该单元的写入。⑤亦可重复①、②两步，将所有机器指令写入主存芯片中。(4)手动校验机器程序①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档，KK3置为‘校验’档，KK4置为‘主存’档，KK5置为‘置数’档。②使用CON单元的SD07——SD00给出地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，CPU内总线的指数据指示灯D7——D0显示该单元的数据。③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。④连续两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加1，CPU内总线的指数据指示灯D7——D0显示该单元的数据。此后每两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加1，CPU内总线的指数据指示灯D7——D0显示该单元的数据，继续进行该操作，直至完成校验，如发现错误，则返回写入，然后校验，直至确认输入的所有指令准确无误。⑤亦可重复①、②两步，完成对指令码的校验。如果校验出指令码写入错误，重新写入、校验，直至确认指令码的输入无误为止。2)联机写入和校验3.运行程序方法一：本机运行将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为‘运行’档，按动CON单元的总清按钮CLR，将使程序计数器PC、地址寄存器AR和微程序地址为00H，程序可以从头开始运行，暂存器A、B，指令寄存器IR和OUT单元也会被清零。将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单步’档，每按动一次ST按钮，即可单步运行一条微指令，对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。每运行完一条微指令，观测一次CPU内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确。当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍，按下CON单元的总清按钮CLR，改变IN单元的值，再次执行机器程序，从OUT单元显示的数判别程序执行是否正确。方法二：联机运行将时序与操作台单元的开关KK1和KK3置为‘运行’档，进入软件界面，选择菜单命令“【实验】—【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。按动CON单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。五、实验思考题本实验与微程序控制器实验相比增加了什么功能？与微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，即为无条件转移。CPU在写入微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以该CPU增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。六、实验心得本实验有如何构建一个简单CPU的全部过程，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器、微程序控制器、通用寄存器，指令寄存器、程序计数器和地址寄存器组成。在CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，就构成一个简单的模型计算机。在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。对TD-CMA实验系统有了更深一步的了解，能够结合PC机进行检错。连接电路图时要仔细，注意不能连错。