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1、基于多流水线复杂模型机基于多流水线复杂模型机 实验研究与实现实验研究与实现刘明明 胡春华 张楠 王长春 乌云毕丽格 陈盛（新疆农业大学计算机与信息工程学院 计算机系）摘要： 介绍了基于多流水线复杂模型机的原理，给出复杂模型机的原理框图，设计数据格式和指令格式，提供两种实验方式，单片机键盘操作和开关控制操作。分别对两种实验方式给了不同的连线图。关键词：计算机组成原理；多流水线；运算器；存储器Abstract：Introduces the more complex model line based on the principle of the machine, then the complex
2、model machine principle diagram, designed data format and instruction format, offered two experimental method, SCM keyboard and switch control method. And circuit diagram. Key words: computer principle; multi-line; ALU; memory引言 计算机组成原理课程是计算机专业及电子信息类专业学生的必修核心课程之一，它为计算机和电子专业的学生学好后续计算机软硬件课程起着很重要 的作用1。
3、教学与科研相结合是培养学生实践能力的有效途径，所以教材的前 部分实验课程是教师带领学生完成实验课程（EL-JY-型计算机组成原理实验 系统） ，后部分需要学生自己完成，以达到更深层次的理解。一、多流水线复杂模型机原理一、多流水线复杂模型机原理1.1 多流水复杂模型机逻辑框图 运算器 ALU 由 U7U10 四片 74LS181 构成，暂存器 1 由 U3、U4 两片 74LS273 构成，暂存器 2 由 U5、U6 两片 74LS273 构成。微控器部分控存由 U13U15 三片 2816 构成。除此之外，CPU 的其它部分都由 EP1K10 集成。存储器部分由两片 6116 构成 16 位存
4、储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为 00HFFH。输出设备由底板上的四个 LED 数码管及其译码、驱动电路构成，当 D-G 和W/R 均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由 16 位电平开关及两个三态缓冲芯片 74LS244 构成，当 DIJ-G 为低电平时将16 位开关状态送上数据总线。在键盘方式下，数据可由键盘输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。1.2 数据格式和寻址方式的设计 1.2.1 数据格式 本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为 16 位，其格式如下：1514 13. 0符号尾 数其中第 16 位
5、为符号位，数值表示范围是：-32768X32767。 1.2.2 指令格式： 1）算术逻辑指令设计 9 条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如 下：7 6 5 43 21 0OP-CODErsrd 其中 OP-CODE 为操作码，rs 为源寄存器，rd 为目的寄存器，并规定： OP-CODE011110001001101010111100110111101111 指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROLRs 或 rd选定寄存器 00Ax 01Bx 10Cx 2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符 MOV，但其操 作码不同
6、。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP） 。指令格式如下： 7 65 43 21 000MOP-CODERdD 其中 OP-CODE 为操作码，rd 为寄存器。M 为寻址模式，D 随 M 的不同其定义也 不相同，如下表所示：OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令寻址模式 M有效地址 ED 定义说 明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址11E=100H +D直接地址扩展直接寻址3）I/O 指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRd 其中，当 OP-CODE=0100 且 a
7、ddr=10 时，从“数据输入电路”中的开关组输入数 据；当 OP-CODE=0100 且 addr=01 时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管 显示。 二、指令系统及微指令二、指令系统及微指令2.1 指令系统本模型机共有 16 条基本指令，其中算术逻辑指令条，访问内存指令和程序控制指令条，输入输出指令条，其它指令 1 条。表 X 列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件，见下表 X。2423222120191817161514 1312 11 109 8
8、7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A5表 X 2.2 微指令设计确定自己修改的机器指令，从指令系统中能够找到该指令的指令格式，修改 rs 或者 rd 来修改机器指令。从微程序流程图中找到需要修改的机器指令，明白该条机器指令由几条微指令组成，取需修改的微指令的序号，把序号先换成八进制，再换成十六进制；从源程序清单中找到换成的十六进制序号，取序号后面的六位数。把六位数中的前两位数换成十六进制，在 74LS181 的逻辑功能表中看第一位数的十六进制（即 S3 S2 S1 S0）与微指令操作是否相符，以确认方法无误。然后把需修改的微指令中的 S3 S2 S1 S
9、0 修改为想要的微指令的 S3 S2 S1 S0。把第 2 位数的十六进制的前 2 个（即 M Cn）进行修改。算术运算 M=0，逻辑运算则 M=1.有进位 Cn=0，无进位 Cn=1.把修改后的结果写入源程序中即可。三、实验报告的设计三、实验报告的设计3.1 实验的操作方式 3.1.1 单片机键盘操作方式： 在各种控制信号中，有的是低电平有效，有的是高电平有效，请注意区别， 具体可参见实验指导。 总线是计算机信息传输的公共通路。为保证总线信息的正确无误，总线上 每次只能有一个控制信号有效，如果同时有两个或两个以上信号同时有效，会 产生总线竞争而造成冲突甚至损坏芯片。故每次开始实验操作时均要先
10、置相应 控制开关电路的控制信号为“1” ，高电平，对应的指示灯亮。 3.1.2 开关控制操作方式：系统通电，K4 开关拨到 OFF，监控指示灯（数码管，以下数码管均指监控指示灯）上滚动显示【CLASS SELECt】 ，在该状态下，整个键盘可用键分别为：系统检测键：按下该键，数码管显示【CHESYS】 ， （即 CHECK SYSTEM 的缩写），进入系统自检程序，具体说明见后述说明。实验选择键：按下该键，数码管显示【ES-_】 ，进入实验课题选择，具体说明见后述说明。联机键：按下该键，系统进入与上位机通讯状态，当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】 ，最后显示【8】 ，表示联机通讯成功。结束语 实验完成一套完整的实验体系，完成了详细的计算机组成原理复杂模型机设计性实验指导书，对一些实用性及在研究过程中形成的较为成熟的项目 提供详细的开发过程，通过对该项目在其他学科中可应用的前景进行了解，让 同学们更深刻的理解了基于多流水线的模型机工作原理。这是教学与科研相结 合是培养学生实践能力的有效途径，以培养具备实践能力和创新能力人才为目 标，为我们大学生创新实践活动提供一个开发交流的平台。参考文献：1 颜俊松; 计算机组成原理实验教学研究与探索; 月重庆文理学院学报(自然科学版), 第27卷第1期,2008,(02) 2 蒋本珊; 计算机组成原理,北京：清华大学出版社, 2004
