计算机硬件实验-基本模型机

1、2021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心1计算机硬件实验课件教师：武俊鹏 程旭辉孙建国 付小晶单位：计算机实验教学中心图1 计算机组成机器语言程序机器语言程序01010110101010111100010010101011 输入设备 输出设备外设外设CPU控制器运算器寄存器组内部总线主存主存系统系统总总 线线汇编语言程序汇编语言程序ADDMOVJMP高级语言程序高级语言程序1+1=？while编译编译计算机硬件实验2021-11-293实验七 基本模型机l实验目的 l在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机l定义五条机

2、器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念l通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心理论基础l计算机的组成部件 计算机的5大部件中，如图1所示。运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机”。而输入设备和输出设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。理论基础 图1 计算机的组成部件 输出设备输入设备 运算器控制器存储

3、器控制流CS数据流DS计算结果程序2021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心6基本模型机数据通路图4 基本模型机数据通路框图2021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心7返返回回2021-11-298 基本模型机逻辑电路哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-299 基本模型机逻辑电路哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2910实验七 基本模型机l实验原理（一） 基本模型机的核心部分就是微处理器。微处理器主要由控制器和运算器组成。 控制器由程序计数器、指

4、令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 控制器的主要功能有： 1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置； 2、对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以启动相应的操作； 3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2911实验七 基本模型机l实验原理（二） 相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。 CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结

5、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。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2912实验七 基本模型机l控制台命令设计 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，如表3所示。 （1）存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWB、SWA为“00”时，可对RAM连续手动读操作。 存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台（2）SWB、SWA为“01”时，可对RAM连续手动读操作。 （3）启动程序（RP）：下载实

6、验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台SWB、SWA为“11”时，即可转入到01号“取址”微指令，启动程序运行。表3 控制台命令哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2913实验七 基本模型机l基本模型机机器指令设计 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），其指令格式如表所示（前4位为操作码）：其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXX XXXX 为addr对应的二进制地址码。2021-11-2913图11 简单模型机机器指令 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中

7、心2021-11-2914实验七 基本模型机l微代码定义 表4 微代码定义哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2915实验七 基本模型机l微程序设计图12 微程序流程图哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-2916实验七 基本模型机l二进制微代码设计表5 二进制微代码表哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心17基本模型机设计举例：ADD指令1、数据通路流程2、微程序流程01 PC-AR,PC+102 RAM-BUS,BUS-IR10 P(1)分支测试11 PC-AR,PC+103 RAM-BUS,BUS-AR04 RAM-BUS,BUS-DR205 R0-DR106 (DR1)+(DR2)-R02021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心18基本模型机设计2021-11-2919实验七 基本模型机l程序代码哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心2021-11-29哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心20基本模型机仿真图（仿真前）20