CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí) 驗(yàn) 項(xiàng) 目CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2015年11月7日實(shí) 驗(yàn) 目 的（1）掌握一個(gè)簡(jiǎn)單CPU的組成原理。（2）在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。（3）為其定義五條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。實(shí) 驗(yàn) 設(shè) 備PC機(jī)一臺(tái)，TD-CMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套實(shí) 驗(yàn) 原 理本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU，并且在此CPU的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。CPU由運(yùn)算器（ALU ）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）,指令寄存器（IR）、程序 計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成，如圖5-1-1所示。這個(gè)CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就 具備

2、了執(zhí)仃機(jī)器扌曰令的功冃匕，但疋機(jī)器扌曰令 般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后，才有實(shí)際的意義，所以還需要在該CPU的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。圖5-1-1基本CPU構(gòu)成原理圖除了程序計(jì)數(shù)器（PC）,其余部件在前面的實(shí)驗(yàn)中都已用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程序計(jì) 數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR ）集成在一片CPLD芯片中CLR連接至CON單元的總清端CLR， 按下CLR按鈕，將使PC清零，LDPC和T3相與后作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，當(dāng)LOAD為低時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘到來(lái)后將 CPU內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)打入 PC。如圖5-1-2所示。圖5-1-2程序計(jì)數(shù)器（PC）原理圖

3、本模型機(jī)和前面微程序控制器實(shí)驗(yàn)相比，新增加一條跳轉(zhuǎn)指令JMP，共有五條指令：IN （輸入）、ADD （二進(jìn)制加法）、OUT （輸出）、JMP （無(wú)條件轉(zhuǎn)移），HLT （停機(jī)），其指令格式如下（高 4位為操作碼）：其中JMP為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，* 為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微程序控制器實(shí)驗(yàn)的指令是通過(guò)手動(dòng)給出的，現(xiàn)在要求CPU自動(dòng)從存儲(chǔ)器讀取指令并執(zhí)行。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路圖，如圖5-1-3所示。本實(shí)驗(yàn)在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)部件，一是PC （程序計(jì)數(shù)器），另一個(gè)是 AR （地址寄存器），還有就是 MEM （主存）。因而在微指令中 應(yīng)增加相應(yīng)的控制位，其微指令格式如

4、表5-1-1所示。圖5-1-3數(shù)據(jù)通路圖表5-1-1微指令格式系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖5-1-4所示，當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P測(cè)試。指令譯碼原理見圖3-2-3所示，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的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的高6位(IR7 IR2)作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫，微程序流程圖上的單元地址為16進(jìn)制。圖5-1-4簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表5-1-2即為將圖5-1-4的微程序流程圖按微指令格式

5、轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。表5-1-2二進(jìn)制微代碼表設(shè)計(jì)一段機(jī)器程序，要求從 IN單元讀入一個(gè)數(shù)據(jù)，存于 R0 ,將R0和自身相加，結(jié)果存于R0,再將R0的值送OUT單元顯示。根據(jù)要求可以得到如下程序，地址和內(nèi)容均為二進(jìn)制數(shù)。實(shí) 驗(yàn) 步 驟1. 按圖5-1-5連接實(shí)驗(yàn)線路。2. 寫入實(shí)驗(yàn)程序，并進(jìn)行校驗(yàn)，分兩種方式，手動(dòng)寫入和聯(lián)機(jī)寫入。1)手動(dòng)寫入和校驗(yàn)(1)手動(dòng)寫入微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1置為停止檔，KK3置為編程檔，KK4置為控 存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05 SD00給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST,

6、將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低 8位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單兀的開關(guān) KK5置為加1檔。 IN單元給出中8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中8位。IN單元給出高8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開 關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高 8位。 重復(fù)、四步，將表 5-1-2的微代碼寫入2816芯片中。(2) 手動(dòng)校驗(yàn)微程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1置為停止檔，KK3置為校驗(yàn)檔，KK4置為控 存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD05 SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST,MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0顯示

7、該單元的低8位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST， MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15 M8顯示該單元的中8位，MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23M16顯示該單元的高8位。 重復(fù)、四步，完成對(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫入錯(cuò)誤，重新寫入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無(wú)誤為止。(3) 手動(dòng)寫入機(jī)器程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1置為停止檔，KK3置為編程檔，KK4置為主 存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD07 SD00給出地址，IN單元給出該單元應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩 次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該存儲(chǔ)器單元。

8、 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK5置為加1檔。 IN單元給出下一地址(地址自動(dòng)加 1)應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元中。然后地址會(huì)又自加1，只需在IN單元輸入后續(xù)地址的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，即可完成對(duì)該單元的寫入。 亦可重復(fù)、兩步，將所有機(jī)器指令寫入主存芯片中。(4) 手動(dòng)校驗(yàn)機(jī)器程序 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1置為停止檔，KK3置為校驗(yàn)檔，KK4置為主 存檔，KK5置為置數(shù)檔。 使用CON單元的SD07 SD00給出地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7DO顯示該單元的數(shù)據(jù)。 將時(shí)序與

9、操作臺(tái)單元的開關(guān) KK5置為加1檔。 連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST,地址自動(dòng)加1，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7 DO顯示該單元的數(shù)據(jù)。此后每?jī)纱伟磩?dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，地址自動(dòng)加1，CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈 D7 DO顯示該單元的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行該操作，直至完成校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn) 錯(cuò)誤，則返回寫入，然后校驗(yàn)，直至確認(rèn)輸入的所有指令準(zhǔn)確無(wú)誤。 亦可重復(fù)、兩步，完成對(duì)指令碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出指令碼寫入錯(cuò)誤，重新寫入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)指令碼的輸入無(wú)誤為止。2）聯(lián)機(jī)寫入和校驗(yàn)聯(lián)機(jī)軟件提供了微程序和機(jī)器程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫微程序和機(jī)器程序，但是微程序和機(jī)器程序得以指定的格式寫入到以TXT為

10、后綴的文件中，微程序和機(jī)器程序的格式如下：本次實(shí)驗(yàn)程序如下，程序中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉：選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【裝載】”功能，在打開文件對(duì)話框中選擇上面所保存的文件，軟件自動(dòng)將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?。選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示，對(duì)照文件檢查微程序和機(jī)器程序是否正確，如果不正確，則說(shuō)明寫入操作失 敗，應(yīng)重新寫入，可以通過(guò)聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的指令，以修改微指令為例，先用鼠標(biāo) 左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，

11、并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。3.運(yùn)行程序方法一：本機(jī)運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3置為運(yùn)行檔，按動(dòng) CON單元的總清按鈕CLR， 將使程序計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器AR和微程序地址為00H，程序可以從頭開始運(yùn)行，暫存器 A、 B，指令寄存器IR和OUT單元也會(huì)被清零。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK2置為單步檔，每按動(dòng)一次 ST按鈕，即可單步運(yùn)行一條微指令，對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運(yùn)行完一條微指令，觀測(cè)一次CPU內(nèi)總線和地址總線，對(duì)照數(shù)據(jù)通路圖，分析總線上的數(shù)據(jù)是否正確。當(dāng)模型機(jī)執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)是否為IN單元值的2倍，按下CON單元的總

12、清按鈕CLR， 改變IN單元的值，再次執(zhí)行機(jī)器程序，從 OUT單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正確。方法二：聯(lián)機(jī)運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1和KK3置為運(yùn)行檔，進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí)驗(yàn)】一【簡(jiǎn)單模型機(jī)】”，打開簡(jiǎn)單模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖。按動(dòng)CON單元的總清按鈕CLR，然后通過(guò)軟件運(yùn)行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序，當(dāng)模型機(jī)執(zhí)行 完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)是否為IN單元值的2倍。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀 測(cè)指令的執(zhí)行過(guò)程，并觀測(cè)軟件中地址總線、數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機(jī)是否一致。圖5-1-5實(shí)驗(yàn)接線圖實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果輸入數(shù)據(jù)助記符機(jī)器指令代碼結(jié)果

13、備注00010001IN00100000R0=11從IN單元讀入數(shù)據(jù)到 R0中ADD00000000R0=22R0和自身相加結(jié)果送到 R0中OUT00110000OUT=22把R0的數(shù)據(jù)傳送到OUT單元顯示JMP11100000跳轉(zhuǎn)到00H地址HLT01010000停機(jī)操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示:結(jié) 果 分 析在IN單元中輸入數(shù)據(jù) 00010001,使用CON 單元的SD27 SD20給出指令I(lǐng)N、ADD、OUT、TMP、HLT 的數(shù)據(jù) 00100000、00000000、00110000、11100000時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān)ST，觀察電腦中的數(shù)據(jù)通路圖記錄數(shù)據(jù)。、01010000，連續(xù)按動(dòng)（1 ）當(dāng)CON單元輸入指令代碼 00100000示R0=11，實(shí)現(xiàn)了從IN單元讀入數(shù)據(jù)傳送到時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中IN中的數(shù)據(jù)傳送到R0中，R0中顯R0中過(guò)程。時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中A=11、B=11通過(guò)ALU運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)（2 ）當(dāng)CON單元輸入指令代碼 00000000自加后把結(jié)果傳送給 R0，R0中顯示R0=22,實(shí)現(xiàn)了 R0和自身相加結(jié)果送到 R0中的過(guò)程。（3 ）當(dāng)CON單元輸入指令代碼 00110000 時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中把 R0的數(shù)據(jù)傳送到 OUT中, OUT顯示O