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1、甘肃政法学院甘肃政法学院本科生实验报告本科生实验报告（四）（四）姓名: 学院: 专业: 班级: 实验课程名称: 计算机组成原理实验日期: 2012 年 12 月 10 日指导教师及职称: 武光利实验成绩:开课时间：20122013 学年第一学期甘肃政法学院实验管理中心印制实验题目基本模型机设计与实现小组合作 否姓名班级学 号一、实验目的1.在掌握部件单元电路实验的基础上，将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块组合在一起，组成一台基本模型计算机； 2.用微程序控制器来控制模型机的数据通道； 3.通过 CPU 运行五条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立机器的整机（输入、输
2、出、运算、存储系统）的概念；二实验环境TDN-CM+计算机组成原理实验系统一套以及若干导线和排线三、实验内容与步骤(一)实验原理：本实验的原理图如下图所示。在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。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。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）和 JMP（无条件转移） ，其指令格式如下（前 4 位
3、为操作码）：助记符 机器指令码 说明IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”的开关状态R0ADD addr 0001 0000 R0+addrR0STA addr 0010 0000 R0addrOUT addr 0011 0000 addrLEDJMP addr 0100 0000 addrPC其中，IN 为单字长（8 位） ，其余为双字长指令，为addr 对应的二进制地址码。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，设置了三个控制台操作微程序。存储器读操作（KRD）：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA 为“00”时，按START微动开关，
4、可对RAM进行连续手动读出。存储器写操作（KWE）：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA 为“01”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写入。启动程序：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA 置为“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。SWBSWA控制台指令00读内存 （KRD）01写内存 （KWE）11启动程序 （RP）上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义见上表。这里“取指”是公用微指令，为了能确定不同机器指令有各自不同的微程序转向，我们在这里以指令寄存器的前4位(IR7IR4)作为测试条件，
5、引入了P(1)指令测试字段，如此，对于5条机器指令，就可以有5路P(1)测试分支，对于每一指令分别予以微程序解释。控制台操作为P(4)测试，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，剩下的其它单元就可以一条微指令占用控制存储器一个微地址单元，其单元地址随意填写。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到指令寄存器中，然后再对其进行译码、执行。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的
6、指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”（实验板上标有“INS DECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE)；另一种是数码块，它作为输出设备(OUTPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号(W/R)有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。本实验设计机器指令程序如下（注：
7、内容和地址均为二进制）：地址 内容 助记符 说明0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE”R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AHR00000 0010 0000 10100000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R00BH0000 0100 0000 10110000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BHLED0000 0110 0000 10110000 0111 0100 0000 JMP 00H 00HPC0000 1000 0000 00000000 10010000 10
8、10 0000 0001 自定0000 1011 求和结果（二）实验步骤：（1）按照上图连接电路，仔细查线无误后，接通电源。（2）写程序方法一：手动写入将机器指令对应的微代码正确写入 2816 中。由于在实验五中微代码已写入，可以先行校验，若正确就不必重新写入。注意：如需重新写入微代码，则要连接 UA5-UA0 的连线。使用控制台 KWE 和 KRD 进行机器指令的装入和检查。A、将编程开关置为“RUN” （运行）状态， “STEP”置为“STEP” ，“STOP”置为“RUN” 。B、使 CLR 101，微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制台 SWB、SWA 开关置为“01” ，按动
9、一次启动开关START,微地址显示“010001” ，再按一次显示为“010100” ，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动两次 START 后，即完成该条指令的写入。若仔细阅读 KWE 的流程，就不难发现，机器指令的首地址总清后为零，以后每个循环 PC 会自动加 1，所以，每次按动 START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。C、写完程序后进行校验。使 CLR 101，微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制台 SWB、SWA 开关置为“00” ，按动一次启动开关 START，微地址显示“010000” ，再次按动显示为“010010” ，
10、第三次按动显示为“010111” ，再按动启动开关START 后，此时输出单元的数码管显示该首地址的内容。不断按动START，以后每个循环 PC 会自动加 1，这样可检查后续单元内容。每次仅在微地址灯显示为“010000” ，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令的内容。方法二：联机读/写程序按照规定格式，将机器指令及表 6.1 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 6.1 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。用联机软件的“【转储】【装载】 ”功能菜单将该格式文件装载到实验系统即可。程序：P0
11、000 P0110 机器指令格式说明： P020A P P0320机器指令代码 P040B十六进制地址 P0530 P060B P0740 P0800 微指令格式说明： P0A01 M 微程序：微指令代码M00018110 十六进制地址 M0101ED82 M0D028201 M0200C048 M0E00E00F M0300E004 M0F00A015M0400B005 M1001ED92M0501A206 M1101ED94M06959A01 M1200A017M0700E00D M13018001M08001001 M14002018M0901ED83 M15070A01M0A01ED8
12、7 M1600D181M0B01ED8E M17070A10M0C01ED96 M18068A11（3）运行程序单步运行程序A、将编程开关置为“RUN”状态， “STEP”置为“STEP” ，“STOP”置为“RUN” 。B、将 CLR 拨动 101，微地址清零，程序计数器清零，程序的首地址为 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、当运行结束以后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论值一致。连续运行A、将编程开关置为“RUN”状态， “STEP”置为“EXEC” ，“STOP”置为“RUN”
13、 。B、使 CLR 101，微地址清零，程序计数器清零。按动START 键，系统连续运行程序，稍后将 STOP 拨至“STOP”时，系统停机。C、停机后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否正确。(4)微程序流程图及二进制代码表（三）实验实体连接图:四、实验过程与分析本次实验是在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。并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。实验成功与否，和实验三密切相关，只有在实验三的二进制代码输入无误的前提下，本次实验才有可能成功。此外，本次实验在连接线路方面也很有挑战性！在连接线路的时候一定要注意导线的正负极是否连接正确。本次实验不仅让我对基本模型机原理和微程序的编辑、写入方法有了进一步的了解, 也让我自己的动手能力有了很大的提高;在实验中自己思考解决遇到的问题，理论知识得到实际体验，这巩深化和巩固了自己的知识结构。五、实验总结通过这次的计算机组成原理的实验，我对计算机内部元件的工作原理有了进一步的了解与认识。通过实验，我对机器指令及微指令的的编码方法，对计算机各部件的组成和工作原理有了进一步的理解，相比课本上的知识，我觉得实验让我学到了更多！虽然理论知识很重要，但是像我们这种工学类的课程，更重要的还是实
