实验六：复杂模型机的设计与实现

实验五复杂模型机的设计与实现一、实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。二、实验设备Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。三、数据格式及指令系统1.数据格式模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：76543210符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤X＜1。2.指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。⑴算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：76543210OP-CODERsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：Rs或Rd选定的寄存器00011011R0R1R2R3其中R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。⑵访问指令及转移指令模型机设计2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：7654321000M2OP-CODERdD（低八）D（高八）其中“00M”为源码段，2OP-CODE为目的码段（LDA、STA指令使用）。D为十六位地址段（低八在前，高八随后），M为源寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(SP)+DE=(PC)+D直接寻址间接寻址SP变址寻址相对寻址⑶I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：76543210OP-CODE00Rd⑷停机指令指令格式如下：76543210OP-CODE0000HALT指令，用于实现停机操作。3.指令系统本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表5-1助记符指令格式功能LDAM,D,Rd00M00RdE→RdSTAM,D,Rd00M01RdRd→EJMPM,D00M1000E→PCBZCM,D00M1100当CY=1或Z=1时，E→PCMOVRd,Rs0100RsRdRs→RdADCRd,Rs0101RsRdRs+Rd+CY→RdSBCRd,Rs0110RsRdRs-Rd-CY→RdANDRd,Rs0111RsRdRs∧Rd→RdCLRRd100000Rd0→RdINCRd100100RdRd+1→RdCPLRd101000RdRd→RdRRCRd101100RdCY→RdRLCRd110000RdCY→RdINRd,I/O110100RdI/O→RdOUTRd,I/O111000RdRd→I/OHALT11110000停机图5-1复杂模型机微程序流程图按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。M23M22M21M20M19M18M17M16M15M14M13M12M11M10M9M8M7M6M5M4M3M2M1M0E/MIPMWRR/M目的编码OPMCNS2S1S0源编码XPWALUIuIEIRIczIds源编码目的编码M10M9M8功能M19M18M17功能X2X1X0O2O1O0111禁止111禁止110ALU110MAR101SP101BX100IOR100AX011MRD011SP010XRD010IOW001RRD001XWR000PC000RWR实验所用的机器指令程序：地址指令代码助记符功能000D0INR0IOL→R0001D2INR2IOL→R200258ADCR0,R2R0+R2→R000341MOVR1,R0R0→R1004C0RLCR0RLCR00050C0000BZC000HBZC000H008F0HALT停机四、实验方法㈠键盘操作⑴首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控／在线”。在待命状态0下按【减址】键，LCD显示器显示工作模式选项：按【增址】键，将光标移到“MUD”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“y”（搭接）或“n”（在线），按【减址】键确定：Dais-CMX16+’XXXKLDMUDPLD选择手动模式接着系统询问用户是否使用扩展I/O方式，按【增址】键选择“y”（扩展I/O）或“n”（微控制器关联），按【减址】键确定：确定设置后，系统返回待命状态0。⑵机器程序与对应的微控制程序的写入：在待令状态下，键入数字键“4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。⑶运行程序①单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”微周期它的节拍按次序循环，在取指微周期按次序循环。②微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。③宏运行（指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察PC地址是否和流程一致。④程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。㈡联机运行双击桌面“Dais-CMX集成开发环境”图标进入联机模式在联机状态下，首先应打开mxj4.asm（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载，如源程序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：单节拍：单击菜单“运行→单拍运行微指令”命令或单击工具栏“单拍”按钮，以单节拍方式按T1~T4顺序逐步运行微程序。单周期：单击菜单“运行→单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，Dais-CMX16+’mudlsty/nI/Oy/nDais-CMX16+’mudlsty/nI/Oy/n是，扩展I/O方式否，选择微控制器关联方式Dais-CMX16+’mudlsty/nI/Oy/nDais-CMX16+’mudlsty/nI/Oy/n是，选择搭接方式，须连线否，选择在线方式，零连线Dais-CMX16+’mudM设置完毕，返回待命状态→T1→T3→T4→→T1→T2→T3→T4→以单周期（T1~T4为一个机器周期）方式逐步运行微程序。应用级调试在机器指令的层面进行逐步调试，面向应用程序，帮助用户了解机器指令的执行结果。单步机器指令：单击菜单“运行→单步运行机器指令”命令或单击工具栏“单步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跟踪进入。宏单步机器指令：单击菜单“运行→宏单步运行机器指令”命令或单击工具栏“宏单步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跨越执行。全速运行单击菜单“运行→全速运行”命令或单击工具栏“运行”按钮，忽略实现细节，以全速方式运行机器指令、微指令，用来验证应用程序的运行结果。暂停与复位暂停：当实验系统进入全速运行、自动单步等状态时，可随时单击菜单“运行→暂停”命令或单击工具栏“暂停”按钮，使实验系统暂停当前运行的程序，并展现暂停后的模型机现场，帮助用户观察各部件的状态。复位：在待命状态下，单击菜单“运行→复位”命令或单击工具栏“复位”按钮，可对模型机进行复位操作，初始化所有寄存器和标志位。注：复位操作不会破坏程序存储器、微程序存储器的内容。表5-2复杂模型机微指令表微址M23M22M21M20M19M18M17M16代码M15M14M13M12M11M10M9M8代码M7M6M5M4M3M2M1M0代码后续微址说明E/MIPMWRR/Mo2o1o0OPMCNS2S2S0X2X1X0XPWALUIuIEIRIczIds00011111111FF11111111FF11111111FF+1空操作00110111111BF11111011FB11111010FA可变IBUS→IR400011100017111111011FB11101101ED001EM→RD408010111115F11111001FB11101101ED001RD→EM410001111113F11000110C6001011012D001BX→PC41811111111FF11000110FF11110100F4420+CZ条件变址42011111111FF11111111FF11101101ED001空操作421001111113F11000110C6001011012D001BX→PC60011111010FA11111011FB11111111FF+1EM→BL60110111011BB11111011FB11111111FF+1EM→BH60210111100BC11000110C60010011026400+OPBX→AR62011111010FA11111011FB11111111FF+1EM→BL62110111011BB11111011FB11111111FF+1EM→BH62211111100FC11000110C611111111FF+1BX→AR623011110107A11111011FB001011112F602EM→BX64011111010FA11111011FB11111111FF+1EM→BL64110111011BB11111011FB11111111FF+1EM→BH64211111000F811111101FD001011112F663RI→AX64311111010FA0110011066001011112F602A+B→BX续下表…………继上表微址M23M22M21M20M19M18M17M16代码M15M14M13M12M11M10M9M8代码M7M6M5M4M3M2M1M0代码后续微址说明E/MIPMWRR/Mo2o1o0OPMCNS2S2S0X2X1X0XPWALUIuIEIRIczIds66011111010FA11111011FB11111111FF+1EM→BL66110111011BB11111011FB11111111FF+1EM→BH66211111000F811111000F8001111113F+1PC→AX66311111000F811110110F6001011112F643AX-168011110001F111111001F9011011016D001RS→RD6A011111010FA10111001B9010111115F+1RS→BL6A111111000F811111001F911011111DF+1RD→AL6A211110001F10100011046010011014D001A+B+C→RD6C011111010FA10111001B9010111115F+1RS→BL6C111111000F811111001F911011111DF+1RD→AL6C211110001F1010011104E010011014D001A-B-C→RD6E011111010FA10111001B9010111115F+1RS→BL6E111111000F811111001F911011111DF+1RD→AL6E211110001F111101110EE010011014D001A&B→RD70011110001F111011110DE010011014D0010→RD72011111000F811111001F911011111DF+1RD→AL72111110001F111110110F6010011014D001A+1→RD74011111000F811111001F911011111DF+1RD→AL74111110001F111001110CE010011014D001A取反→RD76011111000F81