计算机组成原理课程设计-复杂模型机设计实验

复杂模型机设计实验1、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。2、实验设备1、ZYE1603B计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。2、PC机一台。3、数据格式及指令系统1.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、访问及转移指令和停机指令。1).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：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－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、功能和具体格式见表2).访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令――存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令――无条件转移（JMP）和结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7D6D5D4D3D2D1D000MOP－CODErdD其中，OP－CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E＝DE＝（D）E＝（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寄存器RI指定为寄存器R2。3).I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODEaddrrd其中，addr＝01时，选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为输入设备，addr＝10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的数码块作为输出设备。4).停机指令指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0011100rdOP－CODE0000HALT指令用于实现停机操作。2.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，表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1助记符号指令格式功能CLRrdMOVrs，rdADCrs，rdSBCrs，rdINCrdANDrs，rdCOMrdRRCrs，rdRLCrs，rd1000rsrd1001rsrd1010rsrd1011rd1100rsrd1101rd1110rsrd1111rsrd0→rdrs→rdrs+rd+cy→rdrs-rd-cy→rdrd+1→rdrs∧rd→rd→rdrs→rdrs←rd00M00rdDLDAM,D,rdSTAM,D,rdJMPM,DBZCM,D00M01rdD00M00rdD00M00rdDE→rsrd→EE→PC当CY＝1或Z＝1，E→PCINaddr,rdOUTaddr,rd010001rd010101rdaddr→rdrd→addrHALT010001rd停机4、总体设计本模型机的数据通路框图如图所示。图1：复杂模型机数据通路图根据机器指令系统的要求，设计微程序流程图及确定微地址如下：图2：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，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。5、实验步骤1.根据复杂模型机的指令系统，编写实验程序。实验过程如下：本实验完全使用寄存器操作。程序首先从数据输入开关采集数据放入R0中，经循环左移两次放入R1中。然后再次从数据输入开关采集数据放入R0中，经循环将右移一次与R1中的数据相加，其结果送到R1中，然后判断加法的结果是否有进位或为全零，若是就循环运行，否则，输出结果到数码管上显示。实验的机器指令程序如下：根据流程图，确定如下微程序：微程序：$M00018108$M2205DB81$M0101ED82$M230180E4$M0200C050$M24018001$M0300A004$M2595AAA0$M0400E0A0$M2600A027$M0500E006$M2701BC28$M0600A007$M2895EA29$M0700E0A0$M2995AAA0$M0801ED8A$M2A01B42B$M0901ED8C$M2B959B41$M0A00A03B$M2C01A42D$M0B018001$M2D65AB6E$M0C00203C$M2E0D9A01$M0D00A00E$M2F01AA30$M0E01B60F$M300D8171$M0F95EA25$M31959B41$M1001ED83$M32019A01$M1101ED85$M3301B435$M1201ED8D$M3405DB81$M1301EDA6$M35B99B41$M14001001$M360D9A01$M15030401$M37298838$M16018016$M38019801$M173D9A01$M3919883A$M18019201$M3A019801$M1901A22A$M3B070A08$M1A01B22C$M3C068A09$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401验证程序：助记符机器码IN01,R0$P0044IN01,R2$P0146SBCR2,R0$P02A8MOVR0,R1$P0381RLCR1,R1$P04F5OUTR1,R1$P0559HALT$P0600指令功能：在实验板的数据开关手动输入一个数存到R0寄存器里，在输入另一个数到R2寄存器里，然后用R2-R0存到R0寄存器里，接着把R0里的数转存到R1寄存器，然后再把R1的数左移一位存到R1，接着在数码管显示输出当前R1寄存器里的数，最后停止。1.按图连接实验线路2.写入程序/运行程序1)手动写入A.按如下步骤讲微代码写入微控器中的存储器2816中：1将编程开关置为PROM（编程）状态。2将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。3用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。4在MK24－MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。5启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816的相应地址对应的单元中。6重复①－⑤步骤，将所有的微代码写入2816中。B.按如下步骤校验微代码1将编程开关置为READ（校验）状态。2将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。3用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。4启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。观察显示灯MD24－MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行③）即可。C.按如下步骤使用KWE微程序进行机器指令程序的装入。1使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”，并按动一次START，微地址显示灯显示“010001”。3再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令。再按动两次START键后，即完成该条指令的写入，并且微地址显示灯显示“010001”。（注：由KWE的流程图可知，该流程每执行一次，将向PC寄存器所指向的存储器单元中写入一个字节的数据，并且将PC加1。）4如果还需要向存储器中输入数据，则需重复重新执行③。D.按如下步骤使用KRD微程序进行机器指令程序的检查。1使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“00”，并按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010000”。3再按动一次START，微地址灯显示“010010”，第三次按动STRAT，微地址灯显示为“010111”，再按动STRAT后此时输出单元的数码管显示为PC寄存器所指单元的内容。（注：由KRD的流程图可知，该流程每执行一次，将显示PC寄存器所指向的存储器单元中一个字节的数据，并且将PC加1。）4如果还需要检查存储器中其他单元的数据，则需重复重新执行③。2)联机读/写程序将微代码写入文本文件中，通过联机软件载入实验系统。3.运行程序1)本机运行A.单步运行程序1使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零。3单步运行一条微指令，每按动一次START键，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与流程一致。4当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。B.连续运行程序1使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“EXEC”状态，STOP为“RUN”状态。2拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零。3按动START键，系统将连续运行程序，直至将STOP拨至“STOP”状态。4当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。2)联机运行联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，运行即图3：实验连接图六、实验总结：这次课程设计中，基于前几次实验中，对计算机的大致组成以及运行原理有了初步的了解，并且对实验板也比较熟悉了，所以按照实验连接图连线也比较上手了，经过那么多次实验，觉得连线最重要的就是认真，如果一开小差就会出错，每连完一条线之后，都要检查一遍，看是否连错，这告诉我们，做每一件事都要认认真真的完成，容不得一丝马虎，否则只会落得个事倍功半的效果。这次课程设计最重要的就是编写程序了，要想编写程序首次要对程序了解，知道每个助记符对应的机器码是什么意思，对应的二进制的每四位代表什么。在对程序理解的过程中,刚开始不知道程序的十六进制是如何通过助记符转换过来的，经过对指令格式的剖析才知道没个助记符对应的二进制，然后对刚编好的程序进行运行，通过观察CPU一般都是先取机器指令，然后编译，送往寄存器，然后再去指令，再编译，一直这样下去，直到停止为止，此次课程设计最大的收获就是，通过观察大致了解了CPU的运行方式，并且都指令也有了较大的了解，还懂得了合作和请教才是完成任务的最佳方法。