七基本模型机的设计与实现

1、实验七基本模型机的设计与实现一 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，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，具体上机调试掌握整机概念二实验设备TDN CM +计算机组成原理教学实验系统一 台，排线若干。三实验内容1)实验原理部件实验过程中，各 部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各 部件单元控制信号，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

2、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 4位为操作码)：助记符机器指令码说明IN00000000“INPUT DEVICE ”中的开关状态 t R0ADDaddr0001 0000xxxxxxxxR0+addr t R0STAaddr0010 0000xxxxxxxxR0 t addrOUTaddr0011 0000xxxxxxxxaddr t LEDJMPaddr0100 0000xxxxxxxxaddr t PC其中：IN为单字长(8位)，其余为双字长指令，xxxxxxxx addr对应的二进制地

3、址 码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微 程序。*存储器读操作(KRD):拨动总清开关CLR后，控制台开关 SWB、SWA为“ 0 0”时, 按START微动开关，可对 RAM连续手动读操作。*存储器写操作(KWE):拨动总清开关CLR后，控制台开关 SWB、SWA置为“ 0 1” 时，按START微动开关可对RAM进行连续手 动写入。* 启动程序：拨动总清开关 CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“ 1 1 ”时，按 START微动开关，即可转入到第 01号“取址”微指令，启动程 序运行。上述三条控制台指令 用两个开关SWB,SW

4、A的状态来设置，其定义如表 4所示。表4控制台的开关设置SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)11启动程序(RP)根据以上要求，可设 计数据通路框图，如图 19所示。微指令定义如表 4所示。 系统 涉及到的微程序 流程如图21所示。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 4位(IR7 一 IR4)作为测试条件，出现 5路 分支，占用5个固定微地址单元。控制台操作为 P(4)测试，它以控制台开关 SWB , SWA作为测试条件，出现了3

5、路分支，占用3个固定微 地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个微 地址单元随意填写。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。当全部微程序设计完 毕后，应将每条微指令代码化，表5即为将图21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”。BUSCFU地址总线图19数据通路框图下面介绍指令寄存器(IR):指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从 内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。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

6、要求的操 作。“指令译码器”(实验板上标有“ INS DECODE ”的芯片)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):另一种是数码块，它作为输出设备 (OUTPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制 开关数据直接经过三 态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据 总线上，当写信号(W/ R)有效时，将数据打入输出锁存器，驱 动数码 块显示。本实验设计机器指令程序如下：地址(二进制)内容(二进制)助记符说明0000 0

7、0000000 0000INR0“INPUTDEVICE JR00000 00010001 0000ADD0AH , R0R0+0AH t R00000 0010000010100000 00110010 0000STAR0, 0BHR0 0BH0000 0100000010110000 01010011 0000OUT0BH0BH t LED0000 0110000010110000 01110100 0000JMP00H00H t PC0000 1000 0000 0000自定求和结果0000 10010000 1010 0000 00010000 1011四实验步骤(1)按图20连接实验

8、线路。*ek irnT“ m-iO 1MJ3Hlbus urrr4 H?3DSET51L.MOLULJAE3LDDIO3DUL 阿 TR-OaLfrMT uuoQc-b tireMUO-dWrKLLJrRM J- -qrtfjbfUJO图20基本模型机实验接线图(2)写程序方法一：手动写入 先将机器指令对应的微代码正确地写入2816中，由于在微程序控制实验中已将微 代码写入E2PROM芯片中，对照表5校验正确后就可使用。 使用控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检 查。A.使编程开关处于“ RUN，STEP为“ STEP”状态，STOP为“ RUN ”状态。B. 拨动总清开关 C

9、LR(O t 1),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 ”，按动一次启动开关 START，微地址显示灯显示“ 010001 ”， 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，按动两次 START键后，即完成该条指令的写入。若仔细阅读KE的流程，就不难发现，机器指令的首地 址总清后为零，以后每个循环 PC会自动加1，所以，每次按动 START，只有在微地址灯显示 “010100”时，才设置内容，直到 所有机器指令写完。C. 写完程序后须进行 校验。拨动总清开关 CLR(0 t 1)后，微地址清零。PC程序

10、计数 器清零，然后使控制 台开关SWB , SWA为“ 00”，按动启动START，微地址灯将显示“ 010000 ”；再按START，微地址灯显示为 “ 010010;第3次按START，微地址灯显示 为“ 010111 ”，再按START后，此时输出单元的数码管显示为该 首地址中的内容。不断按 动START ,以后每个循环PC会自动加1，可检查后 续单元内容。每次在微 地址灯显示为“010000”时，是将 当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。方法二：联机读/写程序按照规定格式，将机 器指令及表5微指令二进制表编辑 成十六进制的如下格式文件 。 微指令格式中的微指 令代码为将表5中的2

11、4位微代码按从左到右分成 3个8位，将此3个8位二进制代码化为相应的十六进制数即可。$P4000$P4110机器指令格式说$P420A$P4320$P440B$P4530$PXX XX1机器指令代码 十六进制地址微指令格式说明：$P460B$M xx xxxx$P4740$P4800微指令代码 十六进制地址$P4A01微程序$M00018110 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004 $M0400B005 $M0501A206 $M06959A01 $M0700E00D $M08001001$M0901ED83$M0A0IED87 $M0B01ED8E $M0C01E

12、D96$N0D028201$M0E00E00F $M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11$M18068A11用联机软件的传送文件功能(F4)将该格式文件传入实验系统即可，(3)运行程序(A)单步运行程序 使编程开关处于“ RUN ”状态，STEP为“ STEP”状态，STOP为“ RUN ”状态。 拨动总清开关CLR(0 t 1),微地址清零，程序计数器清零。程序首 址为00H。 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 址显示灯是否和流程一致。 当运行结束后，可检 查存数单元 (0BH) 中的结果是 否和理论值一致。(B) 连续运行程序使“ STATE UNIT ”中的 STEP 开关置为“ EXEC ”状