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1、CPU 组成与机器指令执行实验 一 实验目的 1 将微程序控制器同执行部件 整个数据通路 联机 组成一台模型计算机 2 用微程序控制器控制模型机数据通路 3 通过 CPU运行九条机器指令 排除中断指令 组成的简单程序 掌握机器指令与 微指令的关系 牢固建立计算机的整机概念 二 实验电路 本次实验用到前面四个实验中的所有电路 包括运算器 存储器 通用寄存器堆 程序 计数器 指令寄存器 微程序控制器等 将几个模块组合成为一台简单计算机 因此 在 基本实验中 这是最复杂的一个实验 也是最能得到收获的一个实验 在前面的实验中 实验者本身作为 控制器 完成数据通路的控制 而在本次实验中 数据通路的控制将
2、由微程序控制器来完成 CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束 的一个机器指令周期 是由微指令组成的序列来完成的 即一条机器指令对应一个微程序 三 实验设备 1 TEC 计算机组成原理实验系统一台 2 双踪示波器一台 3 直流万用表一只 4 逻辑测试笔一支 四 实验任务 1 对机器指令系统组成的简单程序进行译码 将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码 此项任务应在预习时完成 地址指令机器代码 00HLDA R0 R2 01HLDA R1 R3 02HADD R0 R1 03HJC 5 04HAND R2 R3 05HSUB R3 R2 06HSTA R3 R2 07HMUL R0
3、R1 08HSTP 09HJMP R1 2 按照下面框图 参考前面实验的电路图完成连线 控制器是控制部件 数据通路 包括上面各模块 是执行部件 时序产生器是时序部件 连线包括控制台 时序部分 数据通路和微程序控制器之间的连接 其中 为把操作数传送给通用寄存器组RF 数据通 路上的 RS1 RS0 RD1 RD0应分别与 IR3 至 IR0 连接 WR1 WR0 也应接到IR1 IR0 上 开关控制 控制台时序发生器 时序信号 开关控制指示灯信号控制信号时序信号 控制信号 微程序控制器数据通路 指令代码 条件信号 模型计算机连线示意图 3 将上述任务 1 中的程序机器代码用控制台操作存入内存中
4、并根据程序的需 要 用数码开关SW7 SW0设置通用寄存器R2 R3及内存相关单元的数据 注意 由于设 置通用寄存器时会破坏内存单元的数据 因此一般应先设置寄存器的数据 再设置内存数 据 4 用单拍 DP 方式执行一遍程序 列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数 据 以及由STA指令存入RAM 中的数据 程序结束后从RAM 的相应单元中读出 与理论分 析值作对比 单拍方式执行时注意观察微地址指示灯 IR DBUS指示灯 AR2 AR1指示灯 和判断字段指示灯的值 以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程 可观察到每一条微 指令 5 以单指 DZ 方式重新执行程序一遍 注意观察IR DBUS指示
5、灯 AR2 AR1指示 灯的值 可观察到每一条机器指令 执行结束后 记录RF中四个寄存器的数据 以及由 STA指令存入RAM 中的数据 与理论分析值作对比 注意 单指方式执行程序时 四个通 用寄存器和RAM 中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关 6 以连续方式 DB DP DZ都设为 再次执行程序 这种情况相当于计算机正常 运行程序 由于程序中有停机指令STP 程序执行到该指令时自动停机 执行结束后 记 录 RF中四个寄存器的数据 以及由STA指令存入RAM 中的数据 与理论分析值作对比 同 理 程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关 五 实验步骤和实验结果 1 对机器指令系统组成的简单程
6、序进行译码 地址指令机器代码 00HLDA R0 R2 01HLDA R1 R3 02HADD R0 R1 03HJC 5 04HAND R2 R3 05HSUB R3 R2 06HSTA R3 R2 07HMUL R0 R1 08HSTP 09HJMP R1 2 接线 本实验的接线比较多 需仔细 1 将跳线开关J1 用短路子短接 时序发生器的输入TJI 接控制存储器的输出TJ 控制器 的输入 C接运算器ALU的 C 控制器的输入IR7 IR6 IR5 IR4 依次指令寄存器IR 的 输出 IR7 IR6 IR5 IR4 共 6 条线 2 控制器的输出LDIR CER LDPC LDR4 PC
7、 ADD PC INC M4 LDIAR LDAR1 LDAR2 AR1 INC M3 LDER IAR BUS SW BUS RS BUS ALU BUS CEL LRW WRD LDDR 1 LDDR2 M1 M2 S2 S1 S0依次与数据通路的对应信号连接 共27 条线 3 指令寄存器IR 的输出 IR0 接双端口寄存器堆的RD0 WR0 IR1 接 RD1 WR1 IR2 接 RS0 IR3 接 RS1 共 6 条线 合上电源 按CLR 按钮 使实验系统处于初始状态 3 存程序机器代码 设置通用寄存器R2 R3及内存相关单元的数据 设置通用寄存器R2 R3的值 在本操作中 我们打算使
8、R2 60H R3 61H 1 令 DP 0 DB 0 DZ 0 使实验系统处于连续运行状态 令SWC 0 SWB 1 SWA 1 使实验系统处于寄存器加载工作方式KLD 按 CLR 按钮 使实验系统处于初始状 态 2 在 SW7 SW0上设置一个存储器地址 该存储器地址供设置通用寄存器使用 该存储器 地址最好是不常用的一个地址 以免设置通用寄存器操作破坏重要的存储器单元的内 容 例如可将该地址设置为0FFH 按一次 QD按钮 将0FFH写入 AR0和 AR1 3 在 SW7 SW0上设置 02H 作为通用寄存器R2的寄存器号 按一次QD按钮 则将02H 写入 IR 4 在 SW7 SW0设置
9、 60H 作为 R2的值 按一次QD按钮 将 60H 写入 IR 指定的 R2寄存 器 5 在 SW7 SW0上设置 03H 作为通用寄存器R3的寄存器号 按一次QD按钮 将03H写 入 IR 6 在 SW7 SW0设置 61H 作为 R3的值 按一次QD按钮 将 61H 写入 R3 7 设置 R2 R3结束 按 CLR 按钮 使实验系统恢复到初始状态 存程序机器代码 本操作中 我们从00 地址开始存10 个机器代码 58H 5DH 04H 95H 3EH 1BH 4BH 24H 60H 84H 在 60H存入 24H 用于给R0置初 值 在 61H存入 83H 用于给R0置初值 1 令 DP
10、 0 DB 0 DZ 0 使实验系统处于连续运行状态 令SWC 0 SWB 1 SWA 0 使实验系统处于写双端口存储器工作方式KWE 按 CLR 按钮 使实验系统处于初 始状态 2 置 SW7 SW0为 00H 按 QD按钮 将 00H写入 AR1 3 置 SW7 SW0 为 58H 按 QD按钮 将58H写入存储器00H单元 AR1自动加 1 变为 01H 4 置 SW7 SW0为 5DH 按 QD按钮 将 5DH写入存储器01H单元 AR1自动加 1 变为 02H 5 按 QD按钮 使AR1 1 AR1此时为 02H 6 重复进行下去 一直到将84H写入存储器09H单元 按CLR 按钮
11、使实验系统恢复到 初始状态 7 置 SW7 SW0为 60H 按 QD按钮 将 60H写入 AR1 8 置 SW7 SW0 为 24H 按 QD按钮 将24H写入存储器60H单元 AR1自动加 1 变为 61H 9 置 SW7 SW0 83H 按 QD按钮 将83H写入存储器61H单元 按CLR 按钮 使实验系统 恢复到初始状态 4 用单拍 DP 方式执行一遍程序 在单拍执行过程中 首先要随时监测AR2的值和 IR 的值 以判定程序执行到何处 正 在执行哪条指令 监测微地址指示灯和判断字段指示灯 对照微程序流程图 可以判断出 微指令的地址和正在进行的微操作 程序执行的结果如下 初值 R0未定
12、R1未定 R2 60H R3 61H 存储器60H单元的内容是24H 61H 单元的内容是83H 1 LDA R0 R2 执行结果 R2 60H R0 24H 2 LDA R1 R3 执行结果 R3 61H R1 83H 3 ADD R0 R1 执行结果 R0 0A7H R1 83H C 0 4 JC 5 执行结果转移到03H 因为 C 0 5 AND R2 R3 执行结果 R2 60 H R3 61H 6 SUB R3 R2 执行结果 R2 60H R3 01H 7 STA R3 R2 执行结果 R2 60H R3 01H 存储器60 单元的内容为01H 8 MUL R0 R1 执行结果 R
13、0 15H R1 83H 9 STP 执行结果 无变化 10 JMP R1 执行结果转移到 83H 第一遍执行结束 执行结果是R0 15H R1 83H R2 60H R3 01H 存储器 60H单元的内容是01H 61H单元的内容是83H 5 用单指 DZ 方式执行一遍程序 初值 R0 15H R1 83H R2 60H R3 01H 存储器60H单元的内容是01H 61H 单元的内容是83H 1 LDA R0 R2 执行结果 R2 60H R0 01H 2 LDA R1 R3 执行结果 R3 01H R1 5DH 3 ADD R0 R1 执行结果 R0 5EH R1 5DH C 0 4 4
14、 JC 5 执行结果转移到03H 因为 C 0 5 AND R2 R3 执行结果 R2 00 H R3 01H 6 SUB R3 R2 执行结果 R2 00H R3 01H 7 STA R3 R2 执行结果 R2 00H R3 01H 存储器00 单元的内容为01H 8 MUL R0 R1 执行结果 R0 0B6H R1 5DH 9 STP 执行结果 无变化 10 JMP R1 执行结果转移到 5DH 第二遍执行结束 执行结果是R0 B6H R1 5DH R2 00H R3 01H 存储器 60H单元的内容是01H 61H单元的内容是83H 00H单元的内容为01H 6 用连续方式执行一遍程序
15、 由于 00 单元的内容已被修改 因此在执行前应首先恢复00H单元的内容58H 初值 R0 0B6H R1 5DH R2 00H R3 01H 存储器60H单元的内容是01H 61H 单元的内容是83H 00H单元的内容为58H 1 LDA R0 R2 执行结果 R2 00H R0 58H 2 LDA R1 R3 执行结果 R3 01H R1 5DH 3 ADD R0 R1 执行结果 R0 0B5H R1 5DH C 0 4 4 JC 5 执行结果转移到03H 因为 C 0 5 AND R2 R3 执行结果 R2 00 H R3 01H 6 SUB R3 R2 执行结果 R2 00H R3 01H 7 STA R3 R2 执行结果 R2 00H R3 01H 存储器00 单元的内容为01H 8 MUL R0 R1 执行结果 R0 41H R1 5DH 9 STP 执行结果 无变化
