2024年计算机组织与体系结构实验探索

《计算机组织与体系构造》

试验汇报

团目录

一基本运算器试验............................................................2

1、试验目的.................................................................

2

2、试验设备................................................................2

3、试验原理................................................................2

4、学号：XXX试验

环姓名：XXX

班级：XXX

指导教师：XXX

时间：2023年01月

中国矿业大学计算机学院

节3

5、试验成果.................................................................5

5、试验体会..................................................................5

二微程序控制试验.............................................................6

1、试验目的.................................................................

6

2、试验设备.................................................................6

3、试验原理.................................................................

6

4、试验环节...............................................................1

2

5、试验体会.............................................................13

三CPU与简朴模型机设计试验..................................................

13

1、试验目日勺.................................................................13

2、试验设备.................................................................1

3

3、试验原理

13

4、试验环节.................................................................18

5、试验流图.................................................................21

6、试验体会..................................................................2

5

试验一基本运算器试验

1.试验目的

(1)理解运算器的构成构造。

(2)掌握运算器的工作原理。

2.试验设备

PC机一台，TD-CMA试验系统一套。

3.试验原理

本试验的原理如下图所示:

运算器内部具有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据

存于暂存器A和暂存器B,三个部件同步接受来自A和BH勺数据（有些处理器体系构造把移位运

算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM）,各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…

SO和CN来决定，任何时候、多路选择开关只选择三部件中一种部件的成果作为ALUI1勺输出。

假如是影响进位的运算，还将置进位标志FC,在运算成果输出前，置ALU零标志。ALI中所

有模块集成在一片FPGA中，

逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简朴，而背面又有专门欧I算术运算部件设计试验，在

此对这两个部件不再赘述，移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，

交叉开关的原理如图1-1-2所示。图中显示的是一种4X4的矩阵（系统中是一种8X8的矩阵）。

每一种输入都通过开关与一种输出相连，把沿对角线H勺开关导通，就可实现移位功能，即：

（1）对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线H勺开关导通，这将所有的输入位与

所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连日勺则输出连接0。

（2）对于循环右移功能,右移对角线同互补的左移对角线一起激活。例如,在4位矩阵

中使用'右1'和‘左3'对角线来实现右循环1位。

（3）对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是（）填充，详细由对应H勺指令控制。

使用此外的逻辑进行移位总量译码和符号鉴别。

运算类型S3S2SISOCN功能

0000XF=A（直通）

0001XF=B（直通）

逻辑运算0010XF=AB(FZ)

0011XF=A>D(FZ)

0100XF=/A(FZ)

0101XF=A不带进位循环右移B（取低3位）位(FZ)

01100F=A逻辑右移一位(FZ)

移位运算1F=A希进位循环右移一位<FC.FZ)

01110F=A逻辑左移一位(FZ)

1F=A带进位循环左移一位(FC.FZ)

1000X置FC=CN(FC)

1001XF=A加B(FC.FZ)

1010XF-A加B加FC<FC.FZ)

1011XF=A减B(FC.FZ)

算术运算

1100XF=A减1(FC,FZ)

1101XF=A加1(FC.FZ)

1110X（保留）

1111X（保留）

*表中“X”为任意态，下同

运算器逻辑功能表

4.试验环节

（1）按图所示连接试验电路，并检查无误。

(2)将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档，开关KK1、KK3置为‘运行’档。

(3)打开电源开关，假如听到有‘嘀'报警声，阐明有总线竞争现象，应立即关闭电源，

重新检查接线，直到错误排除。然后按动CON单元的CLR按钮，将运算器曰勺A、B和FC、F

Z清零。

(4)用输入开关向暂存器A置数。

①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关,形成二进制数01100101(或其他数值)，数据

显示亮为‘1',灭为‘()'。

②置LDA=1,LDB=0,持绫按动时序单元的ST按钮,产生一种T4上沿，则将二进制数0110

0101置入暂存器A中，暂存器AU勺值通过ALL单元的A7…A0八位LED灯显示。

(5)用输入开关向暂存器B置数。

①拨动CON单元的SD27-SD20数据开关,形成二进制数10100111(或其他数值)。

②置LDA=O,LDB=1,持续按动时序单元的ST按钮，产生一种T4上沿，则将二进制数10100111

置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的口7-D0八位LED灯显示。

(6)变化运算器的功能设置.，观测运算器的输出。置ALU_B=O、LDA=O、LDB=O,然后

按表1-1-1置S3、S2、SI、SO和Cn依J数值，并观测数据总线LED显示灯显示日勺成果。

如置S3、S2、SI、SO为0010,运算器作逻辑与运算，置S3、S2、S1、S0为1001,

运算器作加法运算。

试验箱和PC联机操作，可通过软件中的数据通路图来观测试验成果,措施是:打开软件,

选择联机软件11勺“【试验】一【运算器试验T，打开运算器试验的数据通路图，如图1-1-6

所示。进行上面U勺手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据II勺流动，反应目前运

算器所做的操作，或在软件中选择"调试】一【单节拍】”，其作用相称于将时序单元的状态

开关KK2置为'单拍'档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反应目前运算器所做口勺操

作。

数据通路图

5.试验成果

运算类型ABS3S2S1SOCN成果

F=(65)FC=(0)FZ=

65A70000X

(o)

65A70001XF=(A7)FC=(0)FZ=(0)

逻辑成果65A70010XF=(25)FC=(0)FZ=(O)

65A70011XF=(E7)FC=(0)FZ=:0)

F=(9A)FC=(0)FZ=

65A70100X

(o)

65A70101XF=(CA)FC=(0)FZ=(0)

F=(32)FC=(0)

0

65A70110FZ=(0)

移位运算

1F=(B2)FC=(1)FZ=(0)

0F=(CA)FC=(1)FZ=(0)

65A70111

1F=(CA)FC=(O)FZ=(0)

65A71000XF=(65)FC=(1)FZ=(0)

65A71001XF=(OC)FC=(1)FZ=(0}

1010(FC=

XF=(0C)FC=(1)FZ=(O)

0)

65A7

1010(F

算术运算c=DXF=(0D)FC=(1)FZ=(0)

101

65A7XF=(BE)FC=(O)FZ=(O)

1

65A71100XF=(64)FC=(0)FZ=(0}

65A71101XF=(66)FC=(O)FZ=(0)

6.试验体会

这个试验是我们笫一次接触这个试验箱，刚开始还是有些陌生，不过好在本次试验比较

简朴，在弄懂原理之后根据试验连线图很快的就把线连接好了。

在试验中，我通过和同学的探讨，弄懂了各个运算的I实现原理和环节，懂得每个数据的使

用措施。在试验中还是碰到了某些小问题，那就是带进位循环移位和不带进位循环移位，通

过和同学探讨还是处理了这一问题。

通过本次试验过程，我理解了计算机的重要日勺功能就是处理多种算数和逻辑运算，而这

个功能是由CPU的运算器来完毕。虽然我们计算机组织与体系构造这门课已经结束,但这愈

加加深了我对计算机内部构造欧I理解,对此后H勺学习和生活有很大H勺协助。

试验二微程序控制器试验

1、试验目的

(1)掌握微程序控制器日勺构成原理。

(2)掌握微程序的编制、写入，观测微程序的I运行过程。

2、试验设备

PC机一台,TD-CUA试验系统一套。

3、试验原理

微程序控制器的基本任务是完毕目前指令的翻译和执行，即将目前指令的功能转换成可

以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完毕数据传送和多种处理操作。它的执行措施就

是将控制各部件动作依J微命令口勺集合进行编码,即将微命令口勺集合仿照机器指令同样，用数

字代码的形式体现,这种体现称为微指令。这样就可以用一种微指令序列体现一条机器指令,

这种微指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用口勺存储器中，称为控制存储器,微程序

控制器原理框图如图3-2-1所示。

图3-2-1微程序控制器组成原理框图

控制器是严格按照系统时序来工作日勺，因而时序控制对丁控制器日勺设”是非常重要日勺，

从前面的试验可以很清晰地理解时序电路的工作原理，本试验所用的时序由时序单元来提供,

分为四拍TS1、TS2、TS3、TS4,,

微程序控制器日勺构成见图3—2-2,其中控制存储器采用3片2816WETR0M,具有掉电

保护功能，微命令寄存器18位,用两片8D触发器(273)和一片41)(175)触发器构成.

微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器(74)构成，它们带有清“0”端和预置端。

在不鉴别测试"勺状况下,T2时刻打入微地址寄存器"勺内容即为下一条微指令地址。当T4时刻

进行测试鉴别时，转移逻辑满足条件后输出口勺负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，

完毕地址修改。

0S3

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…

…

L

■3-2-2MMWJUH

*

在试验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、K：《5（位于时序与操作台单元），可实

现对存储器（包括存储器和控制存储器）的三种操作：编程、校验、运行。考虑到对于存储

器（包括存储器和控制存储器）H勺操作大多集中在一种地址持续的存储空间中，试验平台提供

了便利的手动操作方式。以向00H单元中写入332211为例，对于控制存储器进行编辑口勺

详细操作环节如下：首先将KK1拨至'停止'档、KK3拨至'编程'档、KK4拨至'控

存'档、KK5拨至'置数'档，由CON单元的SD05——SD00开关给出需要编辑的控存单

元首地址（000000）,IN单元开关给出该控存单元数据的低8位（00010001）,持续两次

按动时序与操作台单元的开关ST(第一次按动后MC单元低8位显示该单元此前存储的数据,

第二次按动后显示目前改动日勺数据)，此时MC单元的指示灯MA5一一MAO显示目前地址(0

00000),M7一一M0显示目前数据(00010001)。然后将KK5拨至，力口1'档，IN单元

开关给出该控存单元数据的中8位(()01()0()1()),持续两次按动开关ST,完毕对该控存单

元中8位数据H勺修改，此时MC单元的指示灯MA5——MA0显示目前地址(000000),

M15——U8显示目前数据(00100010);再由IN单元开关给出该控存单元数据的高8位

(00110011),持续两次按动开关ST,完毕对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的

指示灯MA5——MA0显示目前地址(000000),M23——M16显示目前数据(001100ll)o

此时被编辑H勺控存单元地址会自动加1(01H)，由IN单元开关依次给出该控存单元数据

的低8位、中8位和高8位配合每次开关ST的J两次按动,即可完毕对后续单元日勺编辑。

编辑完毕后需进行校验，以保证编辑的对口勺。以校验00H单元为例，而于控制存储器进

行校验的详细操作环节如下：首先将KK1拨至'停止'档、KK3拨至'校验'档、KK4拨

至'控存'档、KK5拨至'置数'档。由C0N单元的JSD05一—SD00开关给出需要校验的

控存单元地址(000000),持续两次按动开关ST,MC单元指示灯M7——M0显示该单元低

8位数据(00010001);KK5拨至'加1'档,再持续两次按动开关ST,MC单元指示灯M

15一一M8显示该单元中8位数据(00100010)；再持续两次按动开关ST.MC单元指示灯

M23一一M16显示该单元高8位数据(00110011).再持续两次按动开关ST,地址加1,M

C单元指示灯M7一—M0显示()1H单元低8位数据。如校验的微指令出错，则返回输入操

作，修改该单元H勺数据后再进行校验，直至确认输入H勺微代码所有精确无误为止，完毕对微

指令的输入。

位于试验平台MC单元左上角一列三个指示灯MC2、UCl、MC0用来指示目前操作的微程

序字段,分别对应M23——\116、M15——M8、M7——M0。试验平台提供了比较灵活的手动

操作方式,例如在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至，减1'档，则每次伴随开关ST

时两次拨动操作，字节数依次从高8位到低8位递减，减至低8位后，再按动两次开关ST,微

地址会自动减一，继续对下一种单元的操作。

微指令字长共24位,控制位次序如表3-2-1:

表3-2-1微指令格式

232221201918-1514-1211-98-65-0

M23M22WRRDI0MS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0

A字段B字段C字段

141312选择11109选择876选择

000NOP000NOP000NOP

001LDA001ALU_B001P<1>

010LDB010ROB010保留

011LDRO011保留011保留

100保留100保留100保留

101保留101保留101保留

110保留110保留110保留

111LDIR111保留111保留

其中MA5…MAO为6位日勺后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位

译码出多位。C字段中0<]P<1>为测试字位。其功能是根据机器指令及对应微代码进行译码，

使微程序转入对应时微地址入II,从而实现完毕对指令的识别，并实现微程序口勺分支,本系统

上的指令译码原理如图3-2-3所示，图中17-12为指令寄存器H勺第7-2位输出，SE5-SE0

为微控器单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在IR单元的INSJ)EC(GAL20V8)

中实现。

本试验除了用到指令存存器(IR)和通用寄存器R0外，还要用到IN和OUT单元,从微控

器出来的信号中只有10M、WR和RD三个信号，因此对这两个单元的读写信号还应先通过译

码,其译码原理如图3-2-4所示。IR单元的原理图如图3-2-5所示,R0单元原理如图3-

2-7所示，IN单元的原理务见图2-1-3所示,OUT单元II勺原理图见图3-2-6所示。

SEI

指令译码原理图

图3-2-4读写控制逻辑图3-2-5IR单元原理图

ROB

LDRO

T4

图3-2-6OUT单元原理图图3-2-7R0原理图

本试验安排了四条机器指令，分别为ADD(00000000).IN(00100000).OUT(0011

0000)和IILT(01010000),括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下:

助记符机器指令码说明

IN00100000IN-R0

ADD00000000RO+RO3RO

OUT00110000ROfOUT

HLT01010000停机

试验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出，其他单元的控制信号均由微程序

控制器自动产生,为此可以设计出对应的数据通路图，见图3-2-8所示。

几条机器指令对应的参照微程序流程图如图3—2—9所示。图中一种矩形方框体现•

条微令,方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角日勺数字是该条指令的微地址，右下角日勺

数字是该条指令日勺后续微地址，所有微地址均用16进制体现。向下H勺箭头指出了下一条要

执行的指令。P<1>为测试字,根据条件使微程序产生分支。

图3-2-8数据通路图

00

图3-2-9微程序流程图

将所有微程序按微指令格式变成二进制微代码,可得到表3-2-2的二进制代码表。

表3-2-2二进制微代码表

地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0

00000001000000000000000000000001

01007070000000000111000001110000

04002405000000000010010000000101

0504B201000001001011001000000001

30001404000000000001010000000100

32183001000110000011000000000001

33280401001010000000010000000001

35000035000000000000000000110101

4、试验环节

1.按图3-2—10所示连接试验线路，仔细查线无误后接通电源。假如有‘滴'报警

声，阐明总线有竞争现象应关闭电源,检查接线,直到错误排除。

酎序写绘件台明无CPI内总畿

1SITlm

CLKO07

TS2■

TS

30117

TS1DO

o

n用□

IN单元7

1I?IRIR单元

*■{]I.DIR

m

」LEDBaw单元

(XI畔元]IX1>

s■ror

S*K*

SLtO

护庭单元G\Dsm

图3-2TO实验接线图

2.对微控器进行读写操作，手动读写。

(1)手动对微控器进行编程(写)

①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止'档，KK3置为'编程'档,KK4置为‘控存'

档，KK5置为'置数'档。

②使用CON单元的S1)05——SD00给出微地址，IN单元给出低8位应写入H勺数据，持续两

次按动时序与操作台的开关ST,将IN单元的数据写到该单元H勺低8位。

③将时序与操作台单元的开关KK5置为'加1'档。

®IN单元给出中8位应写入的数据，持续两次按动时序与操作台的开关ST,将IN单元日勺数

据写到该单元H勺中8位。IN单元给出高8位应写入的数据,持续两次按动时序与操作台H勺开关

ST,将IN单元的数据写到该单元的高8位。

⑤反复①、②、③、④四步，将表3-2-2的微代码写入2816芯片中。

（2）手动对微控器进行校检（读）

①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止'档，KK3置为'校验'档,KK4置为'控

存'档，KK5置为'置数'档。

②使用CON单元的SD05——SD00给出微地址，持续两次按动时序与操作台口勺开关ST,

UC单元的指数据指示灯M7一一M0显示该单元的低8位。

③将时序与操作台单元的开关KK5置为'加档。

®持续两次按动时序与慢作台R勺开关ST,MC单元的指数据指示灯\I15—-M8显示该单

元的中8位，MC单元的指数据指示灯M23——M16显示该单元H勺高8位。

⑤反复①、②、③、④四步，完毕对微代码H勺校验。假如校验出微代码写入错误，重新写

入、校验，直至确认微指令H勺输入无误为止。

3.运行微程序

①将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为'运行'档，按动CON单元的CLR按钮，将微

地址寄存器WAR）清零，同步也将指令寄存器（IR）、ALU单元的暂存器A和暂存器B清零。

②将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍'档，然后按动ST按钮，体会系统在Tl、T

2、T3、T4节拍中各做的工作。T2节拍微控器将后续微地址（下条执行的微指令日勺地址）

打入微地址寄存器，目前微指令打入微指令寄存器，并产生执行部件对应的控制信号；T3、

T4节拍根据T2节拍产生的控制信号做出对应的执行动作，假如测试位有效，还要根据机器指

令及目前微地址寄存器中的内容进行译码，使微程序转入对应的微地址入口，实现微程序H勺

分支。

③按动CON单元的CLR按钮，清微地址寄存器（UAR）等，并将时序与单元H勺开关KK2置为

‘单步’档。

@置IN单元数据为00100D11,按动ST按钮，当MC单元后续微地址显示为000001时，在C

ON单元的SD27…SD20模拟给出IN指令00100000并继续单步执行，当MC单元后续微地址显

示为000001时，阐明目前指令已执行完;在CON单元日勺SD27…SD20给出ADD指令0000000

0,该指令将会在下个T3被打入指令寄存器（IR）,它将R0中日勺数据和其自身相加后送R0;

接下来在CON单元日勺SD27-SD20给出OUT指令00110000并继续单步执行，在UC单元后续

微地址显示为000001时,观查OUT单元口勺显示值与否为01000110。

5、试验体会

在试验开始的时候老师就给我们说这个试验比较发杂，让我们在做的时候耐心点,当时

还没怎么有感觉，在读原理的时候也没怎么发现复杂。在做手动读写的时候没怎么发现难，

顺利时将一种数谢了进去，也读了出来，在运行微程序的时候困难来了，这才发现本来对试

验原理的理解并不透彻。之后又把试验原理好好看了一遍。后来老师在一种同学的机器上给

我们演示了一下，深入11勺给我们讲解了一遍,我发现我理解U勺并不透彻,在老师演示后再次自

己验证，终于在五点多的时候成功了。

通过试验我懂得了我对微程序控制器欧I理解还不透彻，尚有诸多欠缺,能在试验中发现

这一点我很欣慰，要是在考试是才发现自己对微程序控制器的理解不深刻恐怕一切都晚了。

试验三CPU与简朴模型机设计试验

1、试验目的

（1）掌握一种简朴CPU的构成原理。

（2）在掌握部件单元电路H勺基础上，深入将其构造一台基本模型计算机。

（3）为其定义五条机器指令，编写对应的微程序，并上机调减掌握整机概念.

2、试验设备

PC机一台,TD-CMA试验系统一套。

3、试验原理

本试验要实现一种简朴口勺CPU,并且在此CPU的基础上，继续构建一种简朴的模

型计算机。CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）,指令寄存器1IR）、

程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）构成，如图5-1-1所示。这个CPU在写入对应

的微指令后，就具有了执行机器指令的功能,不过机器指令般寄存在主存当中，CPU必须

和主存挂接后，才有实际U勺意义，因此还需要在该CPU的基础上增长一种主存和基本U勺

输入输出部件，以构成一种简朴的模型计算机。

AR

图5-1-1基本CPU构成原理图

除了程序计数器(PC),其他部件在前面H勺试验中都已用至ij,在此不再讨论。系统H勺程序计

数器(PC)和地址寄存器(AR)集成在一片FPGA芯片中.CLR连接至CON单元的

总清端CLR,按下CLR按钮，将使PC清零,LDPC和T3相与后作为计数器的计数时钟,

当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU内总线上的数据打入PC。

LDPC

T3

CLR

LOAD

图5-1-2程序计数器（PC）原理图

本模型机和前面微程序控制渊试验相比,新增长一条跳转指令JMP,共有五条指令:IN

（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式

如下（高4位为操作码）：

助记符机器指令码说明

IN00100000IN->RO

ADD00000000RO+R0TR0

OUT00110000R0-»OUT

JMPaddr11100000********addr->I，

HLT01010000停机

其中JMP为双字节指令，其他均为单字节指令,********为addr对应的I二进制地

址码。微程序控制器试验的指令是通过手动给出的，目前规定CPU自动从存储器读取指

令并执行。根据以上规定，设计数据通路图，如图5-1-3所示。

本试验在前一种试验的基础上增长了三个部件，一是PC（程序计数器），另一种是AR（地

址寄存器），尚有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增长对应艮|控制位，其微指令格式如

表5-1-1所示。

图5-1-3数据通路图

表5-1-1微指令格式

232221201918-1514-1211-98-65-0

M23M22RDI0MS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0

A字段B字段C字段

141312选择11109选择876选择

000NOP000NOP000NOP

001LDA001ALU_B001P<1>

010LDB010RO_B010保留

保而

011LDRO011011保留

100保留100保留100保留

101LOAD101保留101LDPC

110LDAR110PC_B110保留

保向

111LDIR111111保留

系统波及到H勺微程序流程见图5-1-4所示,当确定“取指”微指令时，该微指令的鉴别

测试字段为P<1>测试。指令译码原理见图3-2-3所示，目于“取指”微指令是所有微程序都

使用日勺公用微指令，因此P<1>口勺测试成果出现多路分支。本机用指令寄存器的J高6位（I

R7-1R2）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元,剩余的其他地方就可

以一条微指令占用控存一种微地址单元随意填写，微程序流程图上日勺单元地址16进制。

()0

图5-1-4简单模型机微程序流程图

当所有微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表5—1・2即为将图5-1-4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，

表5-1-2二进制微代码表

地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0

00000001000000000000000000000001

01006D43000000000110110101000011

03107070000100000111000001110000

04002405000000000010010000000101

0504B201000001001011001000000001

1D105141000100000101000101000001

30001404000000000001010000000100

32183001000110000011000000000001

33280401001010000000010000000001

35000035000000000000000000110101

3C006D5D00000000011011