1、2011.5.20,计算机组成原理,1,实验五 基本模型机设计与实现,1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。,一、实验目的,2011.5.20,计算机组成原理,2,在常规微程序控制器实验的基础上，定义五 条机器指令，并编写相应的微程序，设计一台微程 序控制的指令级模型计算机，进一步认识、掌握整 机概念。,二、实验要求,三、实验原理,在实验一至三部件实验过程中，各部件单元 的控制信号是人为模拟产生的，如运算器实验中对 74LS-181芯片的控制，存储器实验中对存储器芯片,2011.5.20
2、,计算机组成原理,3,的控制信号。而本次实验主要是设计在微程序控制 下自动产生各部件单元的控制信号，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段微程序。,2011.5.20,计算机组成原理,4,1模型机机器指令本实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 说明 IN 0000 0000 “DATA UNIT”重的开关状态R0 A
3、DD add 0001 0000 XXXXXXXX R0addrR0 STA addr 0010 0000 XXXXXXXX R0addr OUT addr 0011 0000 XXXXXXXX addrBUS JMP addr 0000 0000 XXXXXXXX addrPC其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。,2011.5.20,计算机组成原理,5,2装入机器程序为了向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）： 控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START
4、微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作（KWE）：控制台开关SWB、SWA为“01”时，按START微动开关，可对RAM连续手动写入。本次将写好的机器指令和微指令用联机软件的传送文件功能（F4）将该格式文件传人实验系统即可。,2011.5.20,计算机组成原理,6,启动程序：微地址清零CLR开关，控制台开关 SWB、SWA为“11”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、SWA 的状态来设置，其定义见表5-1。控制原理图见实 验三（图5-3 微程序执行分支选择原理图）所示。,表5-1 SWB、SWA的状态,201
5、1.5.20,计算机组成原理,7,3指令格式微指令字长共24位，其控制位顺序如下：,2011.5.20,计算机组成原理,8,ALU控制字段：S3、S2、S1、S0、M、Cn，它们的二进制组合用于控制ALU的工作模式，具体含义参见运算器实训中关于ALU的介绍。存储器读写控制字段：WE，用于控制存储器的读写控制，详细的介绍参见存储器实验。片选字段：CE，LDPC的组合将会对存储器、输入、输出设备进行片选。A、B、C字段分别是3位二进制的组合，它们分别作为译码器的输入，然后输出各种控制信号，其含义将如上表所示，A、B、C字段输入与输出信号。,2011.5.20,计算机组成原理,9,4机器指令与微程序
6、的对应关系 每条机器指令由多条微指令按一定的顺序完成, 以MOV指令（从存储器到存储器）为例，完成MOV 指令的执行需要执行6条微指令才能完成，其执行流 程为：,2011.5.20,计算机组成原理,10,5系统微程序系统涉及到的微程序流程见下图所示，当执行“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”微指令是所有为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。本级用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。,2011.5.20,计算机组成原理,11,微程序流程图,2011.5.20,计算机组成原理,12,控制台操
7、作为P(4)测试，如下图所示，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3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，控制存储器剩下的其它地址就可以一条微指令占用一个单元地址，而且地址可以随意使用。P(1) 和P(4)对微程序执行分支选择情况如微程序执行分支选择原理图所示。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。,2011.5.20,计算机组成原理,13,图5-2 微程序流程图,2011.5.20,计算机组成原理,14,表5-2 二进制代码表,2011.5.20,计算机组成原理,15,6实验机器指令程序本实验设计机器指
8、令程序如下：,地址（二进制） 内容（二进制） 助记符 说明 0000 0000 0000 0000 IN “DATA UNIT”R0 0000 0001 0001 1000 ADD 0AH R0+0AHR0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA 0BH R00BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BHBUS 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00HPC 0000 1000 0000 0000 0000 1001 000
9、0 1010 0000 0001 自定 0000 1011 求和结果,2011.5.20,计算机组成原理,16,四、 数据通路框图,根据机器指令、微程序执行等情况，设计实训数据通路框图下图所示。图中CPU部分由8位字长的运算器ALU； 8位数据寄存器DR1,DR2；8位通用寄存器R0；8位地址寄存器AR；程序计数器PC；指令寄存器IR构成。MEM为内存；INPUT为输入端口；OUTPUT为输出端口。,2011.5.20,计算机组成原理,17,图5-3 实验数据通路框图,2011.5.20,计算机组成原理,18,五、实验步骤 1连线 2写机器程序 写程序：连机读/写程序按照规定格式，将机器指令及
10、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5-2中的24位微代码按从左到右分成3个8位，将此三个8位二进制代码化为相应的十六进制数即可。,2011.5.20,计算机组成原理,19,2011.5.20,计算机组成原理,20,程序(机器指令) $P0000 $P0110 $P020A $P0320 $P040B $P0530 $P060B $P0740 $P0800 $P0A01,2011.5.20,计算机组成原理,21,$M00018110 $M0101ED82 $M0D028201 $M0200C048 $M0E00E00F $M0300E004 $M0F0
11、0A015 $M0400B005 $M1001ED92 $M0501A206 $M1101ED94 $M06959A01 $M1200A017 $M0700E00D $M13018001 $M08000001 $M14002018 $M0901ED83 $M15070A01 $M0A01ED87 $M1600D181 $M0B01ED8E $M17070A10 $M0C01ED96 $M18068A11 将写好的机器指令和微指令用联机软件的传送文件功能（F4）将该格式文件传人实验系统即可。,2011.5.20,计算机组成原理,22,3 运行程序单步运行程序A使编程开关处于“RUN”状态，STE
12、P为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。B动总清开关CLR（01 0），微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。C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。D运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。,2011.5.20,计算机组成原理,23,连续运行程序 . 使“STATE UNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态。STOP开关置为“RUN”状态。 . 拨动CLR开关，清微地址及程序计数器，然后按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。 . 停机后，可检查存数单元（0BH）结果是否正确。,思考： 在五条机器指令IN（输入）、ADD（二进制加法 ）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件 转移）的基础上增加JZ（结果为零跳转）、SUB （减法指令），请重新设计微指令格式，并写出新增指令的微程序。,2011.5.20,计算机组成原理,24,在基本模型机五条机器指令的基础上设计的基 础上，为模型机系统增加RR（循环右移）、RRC （带进位循环右移）、RL（循环左移）、RLC（带 进位循环左移）四条指令，设计新增指令的微程序 和其运行电路图。,六、练习,
