计算机组成原理实验(复杂模型机)

计算机组成原理实验西工大软微学院李易实验前知识设计一台完整的计算机，大致需按如下的顺序来考虑：（1）确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用途。（2）确定指令系统：确定数据的表示格式、位数，指令的编码、类型，需要设计哪些指令及使用的寻址方式。（3）总体结构与数据通路：总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径以及实现这些传输所需的微命令。实验前知识对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器是微程序控制还是硬联控制等。综合考虑计算机的速率、性价比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。（4）设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。实验前知识（5）确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。（6）微指令代码化：根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码，写入到控制存储器中的相应单元中。（7）组装、调试：在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。实验八复杂模型机的设计与实现•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。实验八复杂模型机的设计与实现•实验原理1、数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：其中第7位为符号位，数值表示范围是：－1≤X＜1。76543210符号尾数实验八复杂模型机的设计与实现2、指令格式模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、存数指令、取数指令、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000110R0R1R29条算术逻辑指令的名称、功能具体见表3－8。见表实验八复杂模型机的设计与实现其中，OP—CODE为操作码，RD为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：7654321000MOP-CODERDD⑵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、有进位转移指令BZC。指令格式为：寻址模式M有效地址E说明00011011E＝DE＝（D）E＝（RI）+DE＝（PC）+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本模型机规定变址RI指定为寄存器R2。实验八复杂模型机的设计与实现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-CODEaddrRD其中，addr=01时，选中输入数据开关组KD0～KD7作为输入设备，addr=10时，选中2位数码管作为输出设备。实验八复杂模型机的设计与实现⑷停机指令指令格式如下：76543210OP-CODEaddrRDHALT指令，用于实现停机操作。实验八复杂模型机的设计与实现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7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。表3—8列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。1实验八复杂模型机的设计与实现三、总体设计复杂模型机的数据通路框图如图3—16所示。根据复杂模型机的硬件电路设计监控软件（机器指令），再根据机器指令要求，设计微程序流程图及微程序，最后形成16进制文件。实验八复杂模型机的设计与实现四、实验步骤⑴设计复杂模型机的监控软件，详细如下：＄P0044IN01,R0＄P0146IN01,R2＄P0298ADCR2,R0＄P0381MOVR0,R1＄P04F5RLCR1,R1＄P050CBZC00,00＄P0600实验八复杂模型机的设计与实现⑵根据复杂模型机的监控软件设计微程序流程图。按照实验机设计的微指令格式，参照微指令流程图，设计微指令，并形成二进制代码表。实验八复杂模型机的设计与实现实验八复杂模型机的设计与实现实验八复杂模型机的设计与实现⑶将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件(文件名C8JHE3）。程序：＄P0044＄P0146＄P0298＄P0381＄P04F5＄P050C＄P0600实验八复杂模型机的设计与实现＄M0E0FB605＄M0F25EA95＄M1083ED05＄M1185ED05＄M128DED05＄M13A6ED05＄M14011004＄M15010407＄M16168005＄M17019A3D＄M18019205＄M192AA205＄M1A2CB205＄M00088105＄M0182ED05＄M0250C004＄M0304A004＄M04A0E004＄M0506E004＄M0607A004＄M07A0E004＄M088AED05＄M098CED05＄M0A3BA004＄M0B018005＄M0C3C2004＄M0D0EA004实验八复杂模型机的设计与实现＄M1B32A205＄M1C33A205＄M1D36A205＄M1E378235＄M1F398235＄M20019004＄M21018406＄M2281DB05＄M23E48005＄M24018005＄M25A0AA95＄M2627A004＄M2728BC05＄M2829EA95＄M29A0AA95＄M2A2BB405＄M2B419B95＄M2C2DA405＄M2D6EAB05＄M2E2FAA0D＄M2F30AA05＄M3071810D＄M31419B95＄M32019A05＄M3335B405＄M3481DB05＄M35419BBD＄M36019A0D＄M3738882D＄M38019805＄M393A881D＄M3A019805＄M3B080A07＄M3C098A06实验八复杂模型机的设计与实现•教学实验系统出厂默认跳线：J1~J12跳左边J13~J16跳右边J17、J28空J18、J19、J23、J24、J25跳左边J20、J21、J22、J26、J27接上跳线编程开关，拔在“运行”状态；运行程序开关，拔在“运行”状态；运行方式开关，拔在“单步”状态；SWC，SWA总清，拔在上面。实验八复杂模型机的设计与实现⑷实验接线在实验八的基础上将跳线器J13和J14由右边相连改为左边相连，再将IJ1连IJ2。详细如下：a、跳线器J1～J12全部拨在右边（自动工作方式）；b、跳线器J16、J18、J23、J24全部拨在左边；c、跳线器J15、J19、J25全部拨在右边，跳线器J13、J14拨在左边；d、跳线器J20～J22、J26、J27连上短路片；e、UJ1连UJ2，JSE1连JSE2，SJ1连SJ2；f、MBUS连BUS2；g、REGBUS连BUS5；h、PCBUS连EXJ2；i、ALUBUS（低八位）连EXJ3；j、ALUO1（低八位）连BUS1；k、EXJ1连BUS3；l、ALUO2连BUS4；n、IJ1连IJ2。实验八复杂模型机的设计与实现(5)连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。(6)注意实验的初始状态总清开关CLR=1，SWC=1，SWA=1(7)写微程序和程序联机读/写微程序和程序用联机软件的装载功能将16进制格式文件（文件名为C8JHE3）装入实验机即可。实验八复杂模型机的设计与实现(8)运行程序①单步运行程序A.“编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“单步”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。B.拨动总清开关(0→1)，微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为OOH。C.按动“启动运行”开关，即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。②连续运行程序A.“编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“连续”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。B.拨动总清开关，清微地址及PC计数器，按动“启动运行”开关，系统连续运行程序。如果要停止程序的运行，只需将“运行控制”开关置为“停止”状态，系统就停机。(9)采用单步或连续运行方式执行机器指令，参照机器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较，验证系统执行指令的正确性。