计算机组成原理-指扩展实验解析

1、计算机组成原理A课程设计性实验报告实验题目开课实验室：计算机组成原理实验室年月日指令扩展实验、实验目的深入了解教学计算机微程序控制器的组成和设计技术，包括Am2910器件的功能与具体用法，教学计算机的总体组成和部件之间的连接方法，总之应该深入理解控制器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。二、设备与环境TEC-XP+教学机，微机（装有WindowsXP、ISPLEVER、ispVMSystem等软件）。三、实验内容在现有的基本指令系统上，扩展2条指令，分别是：指令一：NXORDR,SR，其功能是（DRSR）DR。指令二：SWRMDR,SR，其功能是DR与SR的值互换，实现寄存器与内存单元（通

2、过间接寻址方式）之间的数据传送。四、实验步骤1、CPU模型鱷瞬DBUS齢矽IBUS斑愆魏R3570610076610773040cacheDRPSW器AR.Cn/时序姓器4操作控制器i译糜IRC1.C1VC2CnyQP码C3通往1號口地止码第7页2、微程序控制器组成原理框图地址译码控制存储器器IRCP微缺怖器地時移逻辑II1呼段控制字段丿微号3、机器指令与微指令关系微命令iiiLik1微命令寄存器PC：存放下一条机器指令的地址（向指令存储器提供指令地址）。1£控制存储器地昨码器717微地址寄存器0Pr指令寄存器IR指令存储器：（存放所有机器指令），经地址译码，选中相应存储单元，取出相

3、应机器指令，送入指令寄存器IR。指令寄存器IR：存放正在执行的机器指令。机器指令包含两个字段：操作码（OP）、地址码。由操作码（OP）映射得到微地址（译码过程），即机器指令所对应的微程序入口地址，存入微地址寄存器。控制存储器存放所有的微程序，经地址译码读出一条微指指令存储器令。由控制存储器读出的一条微指令存入微指令寄存器。程序计数器PC+14、教学机TEC-XP的控制器提供的控制信号（微指令格式） B0-B5字段：DC1:CPU内部总线数据来源选择控制，详见表1-1；DC2:专用寄存器接收控制，详见表1-2。B39-B32B31-B2Sd3-CT0SCC3-0/ITOBEQ/JE12-10B2

4、5一B20B19一B12TB-I615-13B口A口B11一B6B5一B0SSTS3!SCIDC2DC1B47B40微下地址B口：0000表示不使用寄存器, B6-B11字段：SSHSCI:最低进位输入、移位输入控制信号，详见表2-1；SST：状态寄存器控制信号，详见表2-2。 B12-B19字段：A口：0000表示不使用寄存器，1000表示取IR中的SR，0100表示R4（SP）,0101表示R5（PC）；1000表示取IR中的DR，0100表示R4（SP）,0101表示R5(PC)。表1-1DC1-CPU内部总线数据来源选择表1-2DC2-专用寄存器接收控制DC1编码译码信号操作说明000

5、/SWTOIB送开关内容到内部总线001/RTOIB送ALU输出到内部总线010/ETOIB送IR低位字内容到内部总线011/FTOIB送程序状态字到内部总线100/16位机不用101/16位机不用110/INTV送中断向量到内部总线111NC无操作DC1编码译码信号操作说明000NC无操作001/GIR指令寄存器接收010/16位机不用011/GAR地址寄存器接收100/INTR恢复中断优先级101/INTN接收中断优先级110/EI用于开中断指令111/DI用于关中断指令表2-1状态寄存器表2-2最低进位输入、移位输入控制信号SSTCZVS000CZVS001CyZROVF15010内部总

6、线0110ZVS1001ZVS101RAM0ZVS110RAM15ZVS111Q0ZVSMRW编码功能000写内存001读内存010写串口011读串口1XX无内存和串口的读写操作 B20-B28字段：15-13,18-16,12-10,为Am2901的9位控制码，详见下表3-1。I8-I6:运算结果处理I5-I3:运算功能I2-I0:数据来源编码通用寄存器Q寄存器Y的输出RS000FQFR+SAQ001FS-RAB010FBAR-S0Q011FBFRVS0B100F/2BQ/2QFRAS0A101F/2BF/RASDA110F*2BQ*2QFRVSDQ111F*2BF/(RVS)D0 B29-

7、B31字段：/MIOREQ/WE对内存和I/O接口读写控制:/MIO（0：有内存或串口的读写，1：无）REQ（0：读写内存，1：读写串行口）/WE（0：写操作，1：读操作） B32-B39字段：顺序控制字段，CI3-CI0,SCC3-0=00100000(20H)时，表示MAPROM映射入口地址；CI3-CI0,SCC3-0=11100000(E0H)时，表示顺序执行；当CI3-CI0=0011(3H)时SCC3-0字段有效，此时SCC编码及功能详见下表4-1。SCC编码（CI3-CI0=0011时有效）功能(下面条件满足时，使/CC=0)0000必转移0010有中断，INT=0时转移0100

8、C、Z测试，JRC、JRNC、JRZ、JRNZ指令微指令转移条件不成立时，转移0101S测试，JRS、JRNS指令微指令转移条件不成立时，转移0110IR=0时(IN)，转移100111IR'=1时（PUSH、POP），转移8 B40-B47字段：微下地址字段5、扩展的2条机器指令的格式及功能扩展的2条机器指令的格式、功能、寻址方式、操作码编码、微程序步数、微程序入口地址如下表所示：序号格式功能寻址方式编码微程序步数微程序入口地址1NXORDR,SRDR与SR的值异或送DR奇存器直接寻址22H1802SWRMDR,SRDR与SR的值互换DR为寄存器直接寻址，SR为寄存器间接寻址E9H4

9、8A6、指令所对应的微程序每条机器指令对应的微程序、以及每步(微指令)的功能及各字段值的意义:(1) 如下表所示，为两条指令所对应的微程序：序号指令入口地址下址CI3-0SCC3-0MRWI2-0I8-6I5-3B口A口SSTSSHSCIDC2DC11NXORDR,SR8030304,13,7&81,00,02SWRMDR，SR8A00E04,30,0&00,00,000E04,41,00,80,03,000E01,73,0&00,00,030300,21,00,00,00,1(2)扩展的两条机器指令的功能及各字段的意义如下:指令一：NXORDR,SR机器指令NXOR共

10、包括一条微指令，该微指令的功能及各字段值的意义如下： 入口地址：表示该机器指令对应的微程序入口地址为80H； 下址：表示下一条机器指令的微程序入口地址为30H，并且为结束程序指令； CI3-0/SCC3-0:CI3-0=0011,表示进行条件微转移；SCC3-0=0000表示必转移，即执行完该条微指令后必须转移到下一条机器指令所对应的地址； MRW/I2-0:MRW=100，表示无内存和串口的读写操作；I2-0=001，表示数据来源于A,B两个寄存器； I8-I6/I5-I3：I8-I6=011，I5-I3=111，I8-I6表示将运算结果存入B寄存器；I5-I3表示进行异或运算； B口/A口

11、：B=A=1000表示A口和B口的地址均为1000，该指令使用了A和B两个寄存器； SST/SSHSCI:该指令中SST为1,转换为二进制位001，SST的功能为设置状态寄存器的值，表示为CZVS为C(Cy)Z(ZR)V(OV)S(F15)；SSHSCI为0,其功能是设置进位输入，转换为二进制为000，表示Cin=0； DC2/DC1：该指令中DC1和DC2分别为0,0，转换为二进制为000,000，其功能为DC1送开关内容到内部总线，DC2不进行操作。指令二：SWRMDR,SR机器指令SWRM包括四条微指令，以下是四条微指令执行过程概述： 机器指令入口地址为8A，下址为00，微指令顺序执行，

12、无内存操作，数据来源为011，运算结果送入Q寄存器，由Y口输出，进行R与S的加法操作，B口为IR的DR,不使用A口数据，状态寄存器的值不变，进位输入为0,专用寄存器无操作，送开关内容到内部总线； 微指令的入口地址为8B,下址为00,微指令顺序执行，无内存操作，数据来源为100,运算结果送入Y输出，进行R与S的加法运算，不使用B口数据，A口为IR的SR,状态寄存器的值不变，进位输入为0,地址寄存器接收数据，送开关内容到内部总线； 微指令的入口地址为8C,下址为00,微指令顺序执行，对内存进行读操作，运算器获得数据，运算结果送入B口，并由Y输出，进行R与S的或运算，B口为IR的DR,不使用A口数据

13、，状态寄存器的值不变，进位输入为0,专用寄存器无操作，送开关内容到内部总线； 微指令的入口地址为8D,下址为30,执行完后必转，对内存进行写操作，数据来源为010,运算结果送入Y输出，进行R与S的加法运算，不使用A口与B口数据，状态寄存器的值不变，进位输入为0,专用寄存器无操作，送ALU输出到内部总线。7、ABEL语言源程序编辑以及JED文件生成(1) 添加指令操作码NXOR=(IR=0,0,1,0,0,0,1,0);SWRM=(IR=1,1,1,0,1,0,0,1);(2) 添加入口地址添加NXOR指令的入口地址：MA80=(Y=1,0,0,0,0,0,0,0);添加SWRM指令的入口地址：

14、MA8A=(Y=1,0,0,0,1,0,1,0);MA8B=(Y=1,0,0,0,1,0,1,1);MA8C=(Y=1,0,0,0,1,1,0,0);MA8D=(Y=1,0,0,0,1,1,0,1);(3) 入口地址定义对NXOR指令做如下修改：D7=!C_M&(!_MAP&(NXOR#)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8;对SWRM指令做如下修改：D1=!C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR1&!_PL)&!Bit8;D3=!C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR3&

15、!_PL)&!Bit8;D7=!C_M&(!_MAP&(NXOR#SWRM#)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8;(4) 下址定义对NXOR指令做如下修改：NXTADDR5:=!C_M&(MA80#)&!Bit8;NXTADDR4:=!C_M&(MA80#)&!Bit8;对SWRM指令做如下修改：NXTADDR5:=!C_M&(MA8D#)&!Bit8;NXTADDR4:=!C_M&(MA8D#)&!Bit8;(5) 条件转移字段定义对NXOR指令做如下修改：CI0:=!C_M&am

16、p;(MA80#)&NRST&!Bit8;对SWRM指令做如下修改：CI3:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI2:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI1:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI0:=!C_M&(MA8D#)&NRST&!Bit8;(6) MRW定义对NXOR指令做如下修改：!_MIO00:=!(MA80#);对SWRM指令做如下修改：华北科技学院计算机学院

17、设计性实验报告!_MI000:=!(MA8A#MA8B#);_WEOO:=(MA8C#);(7) 12-10,I8-I6,15-13定义I200:=(MA8B#MA8C#);I100:=(MA8A#MA8C#MA8D#);!I000:=!(MA8A#MA8C#);I700:=(MA8C#);!I600:=!(MA8B#MA8C#MA8D#MA80#);I500:=(MA80#);I400:=(MA80#);I300:=(MA80#);(8) B口、A口定义B30=(MA80#MA8A#MA8C#);A30=(MA8B#MA80#);(9) SST/SSHSCI定义SST000:=(MA80#)

18、;(10) DC2DC1定义DC2_100:=(MA8B#);DC2_000:=(MA8B#);将源程序按如上所述修改完毕后，双击lc4256.syn，启动ispLEVER软件，之后双击m256c.abl文件，再双击CompileLogic进行编译，最后双击JEDECFile,生成.jed文件。8、MACH编程将JED文件下载到MACH器件的过程：(1) 接好教学机上的在线MACH编程电缆，将教学机电源打开；(2) 启动ispVMSystem软件，通过主界面的SCAN按钮找到在线编程器件；(3) 双击找到的编程器件，双击Browse按钮选择已经编译好的jed文件，选择OK按钮;(4) 重新回到

19、主界面，点击GO命令进行编程。五、编程验证及结果分析1、NXORDR,SR机器指令验证结果：送R1寄存器0001，送R2寄存器0001,R1与R2异或结果送R1,机器指令NXOR对应的机器码为2212，其中22为操作码，1-表示目的寄存器为R1,2-表示源寄存器为R2,由于没有修改监控程序，所以通过直接修改内存单元值，完成输入机器指令，验证结果R1=FFFF。2、SWRMDR,SR机器指令验证结果：送R1寄存器0001，R2寄存器2040，表示内存单元地址，2040的内存单元值为0007,机器指令SWRM对应的操作码为E9,地址码分别为1、2,表示目的寄存器使用R1,源寄存器使用R2,源操作数为寄存器间接寻址，实现内存单元与寄存器之间的数据交换，在没有修改监控程序的情况下，为了执行扩展的机器指令，通过E命令在内存单元2004处输入机器指令SWRM对应的机器码E912,最后结果R1=0007,内存单元2040的值为0001。六、实验体会通过本次指令扩展实验，认识到了，CPU不是直接执行由汇编语言汇编成的机器指令，而是执行微指令。即一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列就是微程序，也就是说往往一条机器指令对应一个微程序。对于CPU来说，其主要完成4个基本功能：指令控