计算机组成原理-实验报告四-基本模型机设计与实现

1计算机组成原理实验报告学院:计算机科学与信息专业：班级：姓名学号实验组实验时间指导教师成绩实验项目名称实验四、基本模型机设计与实现实验目的1.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。2.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机概念。实验原理本次实验将在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前八位为操作码）：助记符机器指令码说明INR0，SW00000000INPUTDEVICEADDR0,addr00010000××××××××R0+[addr]--R0STAaddr,R000100000××××××××R0--[addr]OUTBUS,addr00110000××××××××[addr]--BUSJMPaddr01000000××××××××addr--PC其中IN为单字节（8位），其余为双字节指令，××××××××为addr对应的二进制地址码。根据以上要求设计数据通路框图，系统涉及到的微程序流程见下图，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（1）测试。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）的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前四位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元，最多可出现16路分支。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，实验书P63-64表（一）即为将下图的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。2指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P（1），通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”根据指令中的操作码译码，强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUTDEVICE）；另一种是LED块，它作为输出设备（OUTPUTDEVICE）。本实验设计机器指令程序如下：地址（二进制）内容（二进制）助记符号说明000000000000INR0，SWINPUTDEVICE--R0000100010000ADDR0，09HR0+「09H」--R0001000001001001100100000STA0BH，R0R0--「0BH」010000001011010100110000OUTBUS，0AH「0AH」--BUS011000001010011101000000JMP00H00H--PC100000000000100101010101自定101010101010自定1011求和结果3实验内容1.将机器程序和其对应的微控制程序写入。2.记录①单步微程序②单步机器程序③程序运行与暂停三种方式下所得的实验结果，其中“程序运行与暂停”方式，随机取其中5次运行结果进行记录即可。3．根据如下给出的机器指令助记符，结合“实验十基本模型机设计与实现”中的机器程序及微程序的代码，①写出与该机器指令助记符相对应的机器程序及微程序的代码，②并记录下在“单步机器程序”方式下的运行结果。助记符号说明INR1，SW“INPUTDEVICE”R1SUBR1,09HR1-[09H]R1STAOAH,R1R1[0AH]OUTBUS,OCH[0CH]BUSJMP00H00HPC其中由SW输入R1的值为“8F”，09H单元的值为“30”,0CH单元的值为“22”。实验环境DICE-CH2000增强型计算机组成原理实验仪一台+排线若干实验步骤1.将本实验所需连接信号：S3、S2、S1、S0、M，/CN，LOAD，/CE，WE，LDR0，LDDR1，LDDR2，LDIR，LDPC，LDAR，LDCZY，/PC-B，/ALU-B，/SW-B，LDR1，LDR2，/R0-B，/R1-B，/SR-B，CZ，LDARH，A8，A9，CS1→IOCS，G→E6（J1），G→EA（J2），Cn+4→Cn+4I，CZ1→CZ2，CZL→CZQ一一进行连接，检查无误后接通电源进入实验。2.机器程序和其对应的微控制程序的写入1）用按键输入法手动写入机器程序，即在“P态”按起始地址00H，然后再按下“主存（ME）”命令键（即程序存储器读写键），将程序手动写入。2）用“装载”（LOAD）命令键快捷完成，其操作方法是：在闪动的“P.”下，键入数字键“1”（基本模型机代号），然后再键入“装载”（LOAD）命令键，实验装置自动装载由数字键定义的基本模型机对应的微控制程序，装载完毕自动返“P.”待令。4程序：P0000机器指令格式说明：P0110P※※※※P0209地址机器代码P0320P※※※※P040B机器代码P0530程序地址P060A机器指令P0740P0800P0955P0AAAM0000000080M※※※※※※※※※※M0100600640地址微指令代码M0280100804M※※※※※※※※※※M038040002032位微控制代码M04800800A0微程序地址(偏移地址)M0500040160微指令M0629820280M0780400010M0880010180M0980400050M0A80000080M0BC0200080M0C080007B0M2000020480M21006006C0M22006006E0M2300600690M24006006D0注意：控存实际地址＝段地址＋偏移地址，四个控存的段地址为00，40H，80H，C0H，这在键盘输入微程序时要注意控存实际地址计算。SW输入值为F0，0B单元存储内容为FF。53．运行程序①单步微程序键入数字键00（PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”（STEP）命令键，运行一条微指令。其运行结果见实验结果部分。②单步机器程序键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏单”（SCAL）命令键，运行一条机器指令。其运行结果见实验结果部分。③程序运行与暂停键入数字键00H（PC地址），然后按动“运行”（EXEC）命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按动“PAUSE”键（暂停键）执行暂停命令，使模型机进入停机状态。其运行结果见实验结果部分。4．根据如下给出的机器指令助记符，写出与该机器指令助记符相对应的机器程序及微程序的代码，并记录下在“单步机器程序”方式下的运行结果。助记符号说明INR1，SW“INPUTDEVICE”R1SUBR1,09HR1-[09H]R1STAOAH,R1R1[0AH]OUTBUS,OCH[0CH]BUSJMP00H00HPC其中由SW输入R1的值为“8F”，09H单元的值为“30”,0CH单元的值为“22”。1）用按键输入法手动写入机器程序，即在“P态”按起始地址00H，然后再按下“主存（ME）”命令键（即程序存储器读写键），将程序手动写入。程序如下：P0000机器指令格式说明：P0110P※※※※P04OA地址机器代码P060CP※※※※P0740机器代码即应吧原先存在机器中的微程序进手动修改。程序地址机器指令62）用按键输入法手动写入微程序。以下以向C0H单元输入数据80H为例，其它操作类似。M0000000080M※※※※※※※※※※M0100600640地址微指令代码M0280100804M※※※※※※※※※※M038040002032位微控制代码M04800800A0微程序地址(偏移地址)微指令修改后的微程序为：M2000001480M0500041160M0606801280M0880010580M00042160M06161880M0BC02000805.运行程序单步机器程序运行：键入数字键00H（PC地址），然后每按动一次“宏单”（SCAL）命令键，运行一条机器指令。其运行结果见实验结果部分。7实验结果1．原实验代码单步微程序运行结果：（填入具体实验结果）μA（微地址）PC地址存储器地址当前总线内容01000AFF0201000120010000010100000202010221020110030302030403095505030955060309FF0103095502040304220403200105040508050600010506FF0206050623060530090706070A070AAA01070AAA02080708240807400B09080901000800020100012001000082．原实验代码机器程序运行结果：μA（微地址）PC地址存储器地址当前总线内容02010001060309FF2204032009070607010008003．原实验代码“程序运行与暂停”方式运行结果：（随机五条）4．修改要求后实验代码机器程序运行结果：μA（微地址）PC地址存储器地址当前总线内容01010001010359060105065601070AAA01000800μA（微地址）PC地址存储器地址当前总线内容0101008F020201020705048F0105062201000800实验总结系统在全速运行状态下按单步，宏单步命令下，所显示格式是：最左边一、二位显示下一条微地址；左边第三、四位显示的是PC的指针指；第五、六位显示存储器地址（地址总线内容）；第七八位显示模型机当前总线的内容。在单步及其程序运行后的结果中，总共只有五组数据，查表10-1后得出，这五组数据分别对应为程序流程图中的五种操作。如：M0000000080表示的是ADD操作。而“单步微程序”方式下的运行结果，是事先输入的机器指令由及其产生的相对9应的微程序。其结果可根据微程序流程图以及微指令表理论推得。指导教师意见签名：年月日