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1、计算机组成原理实验西工大软微学院李易1中小学实验前知识 设计一台完整的计算机，大致需按如下的顺序来考虑：（1）确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用 途。（2）确定指令系统：确定数据的表示格式、位数，指令的编码、类型，需要设计哪些指令及使用的寻址方式。（3）总体结构与数据通路：总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径以及实现这些传输所需的微命令。2中小学实验前知识 对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器是微程序控制还是硬联控制等。 综合考虑计算机的速率、性价比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总
2、线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。（4）设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。3中小学实验前知识（5）确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。（6）微指令代码化：根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码，写入到控制存储器中的相应单元中。（7）组装、调试：在总调试前，先按功能模块进行组
3、装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。4中小学实验八 复杂模型机的设计与实现实验目的 综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。5中小学实验八 复杂模型机的设计与实现实验原理 1、数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下： 其中第7位为符号位，数值表示范围是： 1X1。76 5 4 3 2 1 0符 号
4、尾数 6中小学实验八 复杂模型机的设计与实现2、指令格式 模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、存数指令、取数指令、转移指令和停机指令。 算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0 OP-CODE RS RD 其中，OPCODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定 RS 或 RD 选定的寄存器 000110 R0R1R2 9条算术逻辑指令的名称、功能具体见表38。见表7中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 其中，OPCODE 为操作码，RD为目的寄存器地址（LDA、STA 指令
5、使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 M OP-CODE RD D 访问指令及转移指令 模型机设计2条访问指令：即存数STA、取数LDA；2条转移指令：即无条件转移JMP、有进位转移指令BZC。指令格式为：寻址模式M 有效地址E 说明 00011011 EDE（D）E（RI）+DE（PC）+D 直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址 本模型机规定变址RI指定为寄存器R2。8中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 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 2 1 0 OP-CODE addr RD
6、 其中，addr=01时，选中输入数据开关组KD0KD7作为输入设备，addr=10时，选中2位数码管作为输出设备。9中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 停机指令 指令格式如下：7 6 5 43 2 1 0 OP-CODE addr RD HALT指令，用于实现停机操作。10中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 3、指令系统 本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。表38列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 11中小学112中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 三、总体设计 复杂模型机的数据通路框图如图316所示
7、。根据复杂模型机的硬件电路设计监控软件（机器指令），再根据机器指令要求，设计微程序流程图及微程序，最后形成16进制文件。13中小学14中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 四、实验步骤 设计复杂模型机的监控软件，详细如下： P00 44 IN 01, R0 P01 46 IN 01, R2 P02 98 ADC R2, R0 P03 81 MOV R0, R1 P04 F5 RLC R1, R1 P05 0C BZC 00, 00 P06 00 15中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 根据复杂模型机的监控软件设计微程序流 程图。 按照实验机设计的微指令格式，参照微指令流程图，设计微指令，并形
8、成二进制代码表。16中小学实验八 复杂模型机的设计与实现17中小学实验八 复杂模型机的设计与实现18中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件(文件名C8JHE3）。 程序： P00 44 P01 46 P02 98 P03 81 P04 F5 P05 0C P06 00 19中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 M0E 0FB605 M0F 25EA95 M10 83ED05 M11 85ED05 M12 8DED05 M13 A6ED05 M14 011004 M15 010407 M16 168005 M17 019A3D M18 019205
9、 M19 2AA205 M1A 2CB205 M00 088105 M01 82ED05 M02 50C004 M03 04A004 M04 A0E004 M05 06E004 M06 07A004 M07 A0E004 M08 8AED05 M09 8CED05 M0A 3BA004 M0B 018005 M0C 3C2004 M0D 0EA004 20中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 M1B 32A205 M1C 33A205 M1D 36A205 M1E 378235 M1F 398235 M20 019004 M21 018406 M22 81DB05 M23 E48005 M24
10、 018005 M25 A0AA95 M26 27A004 M27 28BC05 M28 29EA95 M29 A0AA95 M2A 2BB405 M2B 419B95 M2C 2DA405 M2D 6EAB05 M2E 2FAA0D M2F 30AA05 M30 71810D M31 419B95 M32 019A05 M33 35B405 M34 81DB05 M35 419BBD M36 019A0D M37 38882D M38 019805 M39 3A881D M3A 019805 M3B 080A07 M3C 098A0621中小学实验八 复杂模型机的设计与实现教学实验系统出厂默
11、认跳线： J1J12 跳左边 J13J16 跳右边 J17 、J28空 J18 、J19、J23、J24、J25 跳左边 J20、J21、J22、J26、J27接上跳线 编程开关，拔在“运行”状态 ； 运行程序开关，拔在“运行”状态； 运行方式开关，拔在“单步”状态； SWC，SWA 总清，拔在上面。22中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 实验接线 在实验八的基础上将跳线器J13和J14由右边相连改为左边相连，再将IJ1连IJ2。详细如下： a、跳线器J1J12全部拨在右边（自动工作方式）； b、跳线器J16、J18、J23、J24全部拨在左边； c、跳线器J15、J19、J25全部拨在右边
12、，跳线器J13、J14拨在左边； d、跳线器J20J22、J26、J27连上短路片； e、UJ1连UJ2，JSE1连JSE2，SJ1连SJ2； f、MBUS连BUS2； g、REGBUS连BUS5； h、PCBUS连EXJ2； i、 ALUBUS（低八位）（低八位）连EXJ3； j、 ALUO1 （低八位）（低八位）连BUS1； k、EXJ1连BUS3； l、 ALUO2连BUS4； n、IJ1连IJ2。23中小学实验八 复杂模型机的设计与实现(5) 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。(6) 注意实验的初始状态总清开关CLR=1， SWC=1，SWA=1(7)写微程序和程序 联机读/写微程
13、序和程序 用联机软件的装载功能将16进制格式文件（文件名为C8JHE3）装入实验机即可。24中小学实验八 复杂模型机的设计与实现 (8) 运行程序 单步运行程序 A. “编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“单步”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。 B. 拨动总清开关(01)，微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为OOH。 C. 按动“启动运行”开关，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。 连续运行程序 A. “编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“连续”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。 B. 拨动总清开关，清微地址及PC计数器，按动“启动运行”开关，系统连续运行程序。如果要停止程序的运行，只需将“运行控制”开关置为“停止”状态，系统就停机。 (9) 采用单步或连续运行方式执行机器指令，参照机器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较，验证系统执行指令的正确性。25中小学
