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1、实验报告实验名称：CPU 与简单模型机设计实验日期：2015.11班级：学号：姓名：一、 实验目的：(1) 掌握一个简单CPU 的组成原理。(2) 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。(3) 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。二、实验内容：本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2-1-1 所示。这个CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，
2、但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1-4-1 基本CPU 构成原理图除了程序计数器（PC），其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统的程序计数器（PC）由两片74LS161 和一片74LS245 构成，其原理如图1-4-2 所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T2 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。图1
3、-4-2 程序计数器(PC)原理图本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令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（高位为操作码）：助记符机器指令码说明IN0010 0000INR0ADD0000 0000R0 + R0R0OUT0011 0000R0OUTJMP addr1100 0000 * addr PCHLT0101 0000停机其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令，*为addr 对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU 自动从存储器读取指令并执
4、行。根据以上要求，设计数据通路图，如图1-4-3 所示。本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表1-4-1 所示。图1-4-3 数据通路图系统涉及到的微程序流程见图1-4-4 所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P测试。指令译码原理见图1-3-3 所示，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 的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高6 位（IR7IR2）作为测试条件，出现路分支，占用个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指
5、令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16 进制。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表1-4-2 即为将图1-4-2 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”。图1-4-4 简单模型机微程序流程图表1-4-2 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-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 05000000000010010000000
6、1010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013C00 6D 5D000000000110110101011101设计一段机器程序，要求从IN 单元读入一个数据，存于R0，将R0 和自身相加，结果存于R0，再将R0 的值送OUT 单
7、元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。地址 内容 助记符 说明0000000000100000; START: IN R0从 IN 单元读入数据送 R00000000100000000; ADD R0,R0R0 和自身相加，结果送 R00000001000110000; OUT R0R0 的值送 OUT 单元显示0000001111100000; JMP START跳转至 00H 地址00000100000000000000010101010000; HLT停机 三.实验步骤：联机写入和校验联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和
8、机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：本次实验程序如下，程序中分号；为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉：; /*/; / /; / CPU与简单模型机实验指令文件 /; / /; /*/; /* Start Of Main Memory Data */ $P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ; $P
9、05 50 ; HLT 停机; /* End Of Main Memory Data */; /* Start Of MicroController Data */ $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC-AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM-IR, P $M 04 002405 ; R0-B $M 05 04B201 ; A加B-R0 $M 1D 105141 ; MEM-PC $M 30 001404 ; R0-A $M 32 183001 ; IN-R0 $M 33 280401 ; R0-OUT $M 35 000035 ; NOP $
10、M 3C 006D5D ; PC-AR,PC加1; /* End Of MicroController Data */选择联机软件的“【转储】【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。选择联机软件的“【转储】【刷新指令区】”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的微存TAB 按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6 位数据并回车，编辑框消失，并
11、以红色显示写入的数据。 运行程序联机运行将MC 单元的编程开关置为运行档，MEM 单元的编程开关也置为运行档，进入软件界面，选择菜单命令“【实验】【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。按动CON 单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP 指令后，检查OUT 单元显示的数是否为IN 单元值的2 倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。 四、具体实现： (1)打开IN单元，输入操作数（以03为例），启动程序计数器（PC），然后自动启动加1操作，将指令
12、地址放到地址寄存器（AR）（2）从存储器当中读取指令，并将它存到指令寄存器（IR）当中，然后对指令进行编译处理，形成控制信号，来控制各个部件的工作；（3）启动读操作，将IN单元当中的操作数（03）读到R0寄存器中（4）接着从PC中取出第二条指令的地址，并自动加1，并将它存放到AR当中；（5）从存储器中取出第一条指令，并将它存放到IR中，并进行编译（6）将存储器R0的03值送到A和B中； （7）启动ALU运算器，执行加操作，并将运算结果送往R0当中； （8）同样从PC当中第三条（将运算结果OUT单元显示），取指令流程与上述指令上述类似；五、项目要求及分析：1、试修改现有的指令系统，将加法指令的功
13、能修改为R0的内容和某个存储单元的内容相加;增加存数、取数和减法三条机器指令，指令助记符分别为STA、LAD 和SUB，指令操作码分别为十六进制的60、70和80。设计流程图如下：（红笔为修改的重点部分）地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C 字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010400 6D 450000000001101101010001010504 B2 010000010010110010000
