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1、四 川 大 学 计 算 机 学 院、软 件 学 院实 验 报 告 学号： 1143041061 姓名： 高浩宇 专业： 计算机科学与技术 班级：4 第：14 周 课程名称 计算机组成原理实验课时2实验项目CPU与简单模型机实验实验时间2013-12-9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。实验环境 TPC 机一台，TD-CMX 实验系统一套，排线若干实验内容（算法、程序、步骤和方法） 1.实验原理本实验要实现一个简单的 CPU，并且在此CPU 的基
2、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。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，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。系统的程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD 芯片中 。CLR 连接至CON 单元的总清零端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T3 相与后作为计数器的计数时钟，当L
3、OAD为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PC。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IN 0010 0000 IN R0ADD 0000 0000 R0 + R0 R0OUT 0011 0000 R0 OUTJMP addr 1110 0000 * addr PCHLT 0101 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
4、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行。 系统涉及到的微程序流程见下图所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P测试。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，占用个固定的微地址单元，剩下的其它地方就可以 一条微指令占用控存的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。地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001
5、101101010000110310 70 00001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013C00 6D 5D00000
6、0000110110101011101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00000000 00100000 ; START: IN R0 从IN 单元读入数据送R000000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送R000000010 00110000 ; OUT R0 R0 的值送OUT 单元显示00000011 11100000 ; JMP START 跳转至00H 地址00000100 00
7、000000 ;00000101 01010000 ; HLT 停机 （接上）实验内容（算法、程序、步骤和方法）2.实验步骤1. 按图5-1-5 连接实验线路2.手动校验微程序： 将时序与操作台单元的开关KK1 置为停止档，KK3 置为校验档，KK4 置为控存档，KK5 置为置数档。 使用CON 单元的SD05SD00 给出微地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC 单元的指数据指示灯 M7M0 显示该单元的低8 位。 将时序与操作台单元的开关KK5 置为加1档。 连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC 单元的指数据指示灯 M15M8 显示该单元的中8 位，MC 单元的指数据指示灯 M
8、23M16 显示该单元的高8 位。 重复、四步，完成对微代码的校验。如果校验出微代码写入错误，重新写入、校验，直至确认微指令的输入无误为止。3手动写入机器程序： 将时序与操作台单元的开关KK1 置为停止档，KK3 置为编程档，KK4 置为主存档，KK5 置为置数档。 使用CON 单元的SD07SD00 给出地址，IN 单元给出该单元应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN 单元的数据写到该存储器单元。 将时序与操作台单元的开关KK5 置为加1档。 IN 单元给出下一地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN 单元的数据写到该单元中。然后地址会又
9、自加1，只需在IN 单元输入后续地址的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，即可完成对该单元的写入。 亦可重复、两步，将所有机器指令写入主存芯片中。4手动校验机器程序：将时序与操作台单元的开关KK1 置为停止档，KK3 置为校验档，KK4 置为主存档，KK5 置为置数档。 使用CON 单元的SD07SD00 给出地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，CPU内总线的指数据指示灯 D7D0 显示该单元的数据。 将时序与操作台单元的开关KK5 置为加1档。 连续两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加1，CPU 内总线的指数据指示灯 D7D0 显示该单元的数据。此后每两次按动时序与操作台的
10、开关ST，地址自动加1，CPU 内总线的指数据指示灯 D7D0 显示该单元的数据，继续进行该操作，直至完成校验，如发现错误，则返回写入，然后校验，直至确认输入的所有指令准确无误。 亦可重复、两步，完成对指令码的校验。如果校验出指令码写入错误，重新写入、校验，直至确认指令码的输入无误为止。5.运行程序：时序与操作台单元的开关KK1、KK3 置为运行档，按动CON 单元的总清零按钮CLR，将使程序计数器PC、地址寄存器AR 和微程序地址为00H，程序可以从头开始运行，暂存器A、B，指令寄存器IR 和OUT 单元也会被清零。将时序与操作台单元的开关KK2 置为单步档，每按动一次ST 按钮，即可单步运
11、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。每运行完一条微指令，观测一次CPU 内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确。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，按下CON单元的总清按钮CLR，改变IN 单元的值，再次执行机器程序，从OUT 单元显示的数判别程序执行是否正确。结 论（结 果） 根据实验步骤，一步一步操作，得到输出数据是输入的2倍，显示结果和期望值结果一致，说明整个实验非常成功。小 结 通过本次实验收获丰富，在做这次实验之前，通过深入的预习，理解了实验原理、明确了实验的目的，按部就班地连线，逐步完成了实验的要求。在实验过程中，我认真进行实验操作和思考实验有关的内容，把自己不太明白的问题通过实验理解清楚，取得了较好的实验结果。通过这次实验懂得了基本模型机设计与实现的基本操作，加深了对书本知识的认识。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，建立了利用指令控制整机（输入、输出、运算、存储系统）的概念。最终，将结果记录下来，完成了本次实验。本次实验，提高了我对组成原理实验的积极性，更教育了我实验要认真，要培养了我实验要认真，要严谨的态度，将课本知识运用到实践之中，也提高了对课程学习的热情。指导老师评 议 成绩评定： 指导教师签名：
