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1、成績(jī):實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱: 實(shí)踐名稱: 姓 名: 專 業(yè): 班 級(jí): 學(xué) 號(hào):計(jì)算機(jī)組成原理模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)及微程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2016年12月07日目錄實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱:模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)及微程序設(shè)計(jì)2一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2三、實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器及材料2四、實(shí)驗(yàn)原理2(一)模型機(jī)總體結(jié)構(gòu)2(二)模型機(jī)尋址方式3(三)微程序控制器組成及原理4(四)模型機(jī)指令集4(五)設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng)4五、實(shí)驗(yàn)操作步驟5實(shí)驗(yàn)1:數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)/輸入輸出實(shí)驗(yàn)5實(shí)驗(yàn)2:數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)(加/減/與/或)7實(shí)驗(yàn)3:移位/取反實(shí)驗(yàn)9實(shí)驗(yàn)4:轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)10實(shí)驗(yàn)5:編寫微指令12六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1
2、6(一)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中部分截圖16(二)心得體會(huì)19實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱:模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)及微程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解偉福cp2000實(shí)驗(yàn)儀及軟件的工作壞境。2. 了解微指令系統(tǒng)的工作原理及工作方式。3. 自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單指令與微指令,在機(jī)器上運(yùn)行測(cè)試程序驗(yàn)證結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)/輸入輸出實(shí)驗(yàn)2. 數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)(加/減/與/或)3. 移位/取反實(shí)驗(yàn)4. 轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)5. 編寫微指令三、實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器及材料cop2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀、計(jì)算機(jī)u!實(shí)驗(yàn)原理(一)模型機(jī)總體結(jié)構(gòu)c0p2000模型機(jī)包括了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)cpu所具備所有部件,這些部件包括:運(yùn)算器alu、累加器a、 工作寄存器w、左移門l、
3、直通門d、右移門r、寄存器組r0-r3、程序計(jì)數(shù)器pc、地址寄存器mar、 堆棧寄存器st、屮斷向量寄存器ia、輸入端口叮、輸出端口寄存器out、程序存儲(chǔ)器em、指令寄存 器ir、微程序計(jì)數(shù)器upc、微程序存儲(chǔ)器um,以及中斷控制電路、跳轉(zhuǎn)控制電路。其中運(yùn)算器和中 斷控制電路以及跳轉(zhuǎn)控制電路用cpld來(lái)實(shí)現(xiàn),其它電路都是用離散的數(shù)字電路組成。微程序控制 部分也可以用組合邏輯控制來(lái)代替。模型機(jī)為8位機(jī),數(shù)據(jù)總線、地址總線都為8位,但其工作原理與16位機(jī)相同。相比而言8位 機(jī)實(shí)驗(yàn)減少了煩瑣的連線,但英原理卻更容易被學(xué)生理解、吸收。模型機(jī)的指令碼為8位,根據(jù) 指令類型的不同,可以有0至屹個(gè)操作數(shù)。指
4、令碼的最低兩位用來(lái)選擇r0-r3寄存器,在微程序 控制方式中,用指令碼做為微地址來(lái)尋址微程序存儲(chǔ)器,找到執(zhí)行該指令的微程序。而在組合邏 輯控制方式中,按時(shí)序用指令碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制位。在本模型機(jī)中,一條指令最多分四個(gè)狀態(tài)周 期,一個(gè)狀態(tài)周期為一個(gè)時(shí)鐘脈沖,每個(gè)狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯,實(shí)現(xiàn)模型機(jī)的各種功能。 模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸出,選擇運(yùn)算器的運(yùn)算功能,存儲(chǔ)器的讀寫。24位控制位分別介紹如下:xrd :外部設(shè)備讀信號(hào),當(dāng)給出了外設(shè)的地址后,輸出此信號(hào),從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。emwr:程序存儲(chǔ)器em寫信號(hào)。emrd:程序存儲(chǔ)器em讀信號(hào)。pcoe:將程序計(jì)數(shù)器pc的值送到地址總
5、線abus上。emen:將程序存儲(chǔ)器em與數(shù)據(jù)總線dbus接通,由emwr和emrd決圧是將dbus數(shù)據(jù)寫到還是 從em讀出數(shù)據(jù)送到dbusoiren:將程序存儲(chǔ)器em讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器ir和微指令計(jì)數(shù)器upc。eint:中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志,便于下次中斷。elp: pc打入允許,與指令寄存器的ir3、ir2位結(jié)合,控制程序跳轉(zhuǎn)。maren:將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)打入地址寄存器mar。mar0e:將地址寄存器mr的值送到地址總線八bus上。0uten:將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器out里。sten:將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器st中。rrd:讀寄
6、存器組r0-r3,寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。rwr:寫寄存器組r0-r3,寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。cn:決定運(yùn)算器是否帶進(jìn)位移位,cn=1帶進(jìn)位,cn=0不帶進(jìn)位。fen:將標(biāo)志位存入alu內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。x2, xi, xo: x2、xi、x0三位組合來(lái)譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到dbus上的寄存器。wen:將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入工作寄存器w中。aen:將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入累加器a中。s2, si, so: s2、si、so三位組合決定a1x做何種運(yùn)算。(二)模型機(jī)尋址方式模型機(jī)的尋址方式分五種:累加器尋址:操作數(shù)為累加器a。例如“cpla”是將累加器a值取反,還
7、有些指令是隱含尋址累加器a,例如“out”是將累加 器a的值輸出到輸出端口寄存器out。寄存器尋址:參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在r0-r3的寄存器中。例如“add a, r0”指令是將寄存器r0的值加上累加器a的值,再存入累加器a中。寄存器間接尋址:參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器em中,數(shù)據(jù)的地址在寄存器r0-r3中。例如"mova, r1”指令是將寄存器r1的值做為地址,把存儲(chǔ)器em中該地址的內(nèi)容送入累加器a中。存儲(chǔ)器直接尋址:參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器em中,數(shù)據(jù)的地址為指令的操作數(shù)。例如“and a, 40h”指令是將存儲(chǔ)器em中40h單元的數(shù)據(jù)與累加器a的值做邏輯與運(yùn)算,結(jié) 果存入累加器a。立即數(shù)尋
8、址:參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)為指令的操作數(shù)。例如“sub a, #1011”是從累加器a中減去立即數(shù)1011,結(jié)果存入累加器(三)微程序控制器組成及原理微程序控制器主耍由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成。其工作原理為:1、將程序和數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備送入存儲(chǔ)器;2、啟動(dòng)運(yùn)行后,從存儲(chǔ)器中収出程序指令送到控制器去識(shí)別,分析該指令要求什么事;3、控制器根據(jù)指令的含義發(fā)出相應(yīng)的命令(如加法、減法),將存儲(chǔ)單元中存放的操作數(shù)據(jù)取出 送出運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算,再把運(yùn)算結(jié)杲送回冇儲(chǔ)器指定的單元中;4、運(yùn)算任務(wù)完成后,就可以根據(jù)指令將結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備輸出。(四)模型機(jī)指令集模型機(jī)的缺省的指令集分兒大類:算術(shù)運(yùn)
9、算指令、邏輯運(yùn)算指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、 跳轉(zhuǎn)指令、屮斷返回指令、輸入/輸出指令??梢酝ㄟ^(guò)c0p2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)軟件或組成原 理實(shí)驗(yàn)儀來(lái)設(shè)計(jì)口己的指令集。(五)設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng)c0p2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀,可以市用戶自己設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng),“指令流水實(shí)驗(yàn)”就是利用另一套指令/微指令系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的流水工作。這樣用戶可以在現(xiàn)有的指令系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò) 充,加上一些較常用的指令,也可重新設(shè)計(jì)一套完全不同的指令/微指令系統(tǒng)。cop2000內(nèi)已經(jīng)內(nèi) 嵌了一個(gè)智能化匯編語(yǔ)言編譯器,可以對(duì)用戶設(shè)定的匯編助記符進(jìn)行匯編。五、實(shí)驗(yàn)操作步驟實(shí)驗(yàn)1:數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)/輸入輸出實(shí)驗(yàn)1. 在c0p2
10、000軟件中的源程序窗口輸入下列下列程序mov釦i12hmova,romova,r0mova,01hinoutend2. 將程序另存為ex1.asm,將程序匯編成機(jī)器碼,反匯編窗口會(huì)顯示出程序地址、機(jī)器碼、反匯編指令。程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說(shuō)明007c 12mova, #12立即數(shù)12h送到累加器a0270mova, r0寄存器r0送到累加器a0374mova, r0r0間址的存儲(chǔ)器內(nèi)容送到累加器a0478 01mova, 01存儲(chǔ)器01單元內(nèi)容送到累加器a06coin端口 in內(nèi)容輸入到累加器a07c4out累加器a內(nèi)容輸出到端口 out3. 按快捷圖標(biāo)的f7,執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能
11、,觀察執(zhí)行每條微指令時(shí),寄存器的輸入/輸出狀態(tài),各控制信號(hào)的狀態(tài),pc及upc如何工作。(見(jiàn)exi. asm程序跟蹤結(jié)果)ex1.asm程序跟蹤結(jié)果助記符1 1 1 1 m數(shù)搖打入地址輸出運(yùn)算器移位控制upcpcto00cbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入*100 mov a, #12t17cc7fff7存貯器值eh寄存器apc輸出a輸出+1+1to7dcbffff指令寄存劈irpc輸出a輸出寫入*102 mov a, r0t170fff7f7寄存器值r?寄存器aa輸出+1to71cbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入103 mov a, r0t274ff77ff寄存器值r?地址
12、奇存器mara輸出+1t175d7bff7存貯器值em奇存器amar輸出a輸出+1to76cbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入+104 mov a, 01t278c77fff-地址寄存器marpc輸出a輸出+1t179d7bff7存貯器值em寄存器amar輸出a輸出+1to7acbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入】06 int1coffff17用戶in寄存器aa輸出+1toclcbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入107 outt1c4ffdf9fali直通用戶outa輸出十1toc5cbffff指令奇存器irpc輸出a輸出寫入*1每個(gè)程序的一開(kāi)始的第一條微指令一定是取指
13、令,此微指令的值為ocbffffh,對(duì)應(yīng)到各個(gè)控 制位就是emrd> pcoe、及iren為低,此三位有效,其它所有位都處于無(wú)效狀態(tài)。在程序第一次運(yùn) 行時(shí)或復(fù)位后,upc和pc的值都為0, pc0e有效將pc值送到abus,做為程序存儲(chǔ)器em的地址,emrd 信號(hào)有效就是從程序存儲(chǔ)器em中讀出程序指令,ire7將讀出的指令送到tr寄存器和upc,此微指令 的作用就是:從程序存儲(chǔ)器em的0地址讀出程序指令機(jī)器碼7ch,并存入upc中做為微程序存儲(chǔ)器um 的地址,從微程序存儲(chǔ)器um的7ch單元中讀出微控制碼0c7fff7h,同時(shí)pc加1為讀下一條指令或數(shù) 據(jù)做準(zhǔn)備。mov a, #12:本指
14、令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài)時(shí),上次讀出的指令機(jī)器碼為7ci1,存入upc 中做為微程序存儲(chǔ)器um的地址,讀出微指令的值為0c7fff7ii,對(duì)應(yīng)到各個(gè)控制位就是emrd、pcoe、 emen及aen為低,處于有效狀態(tài),其它控制位為無(wú)效狀態(tài)。由于 上條微指令(取指操作)已將pc 加1,此時(shí)pcoe是將加1后的pc輸出到abus做為程序存儲(chǔ)器em的地址,emrd就是從程序存儲(chǔ)器em中 讀出數(shù)據(jù),本指令中讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為12h, emen將讀出的數(shù)據(jù)送到dbus總線上,aen是將dbus總線 上的值存入累加器a中。同時(shí)upc加1為執(zhí)行下條微指令做準(zhǔn)備,pc加1為讀取下一條指令做準(zhǔn)備。 每條指令的最后
15、一條微指令一定是取指令操作,本指令的t0狀態(tài)周期即為取指令,執(zhí)行上一條微 指令吋upc已經(jīng)加1,按照此upc為地址從微程序存儲(chǔ)器um讀出的微指令的值為ocbffffh,參照第一 步的說(shuō)明,此微指令從程序存儲(chǔ)器em中讀取指令。mov a, r0:本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài)時(shí),由上條取指操作取出的指令機(jī)器碼為 7011,存入upc后做為微程序地址訪問(wèn)微程序存儲(chǔ)器um的7011單元,讀出微指令的值為0fff7f7,各 控制位的狀態(tài)為rrd、aen為低電平為有效狀態(tài),rrd有效表示從寄存器組r0-r3中讀數(shù)送到dbus 上,在上條取指令操作吋,iren將取出的指令機(jī)器碼70h送入ir寄存器,而i
16、r寄存器的最低兩位是 用來(lái)選擇寄存器r?的,此時(shí)ir寄存器最低兩位為00,被讀出的寄存器為ro。aen有效表示將dbus 的數(shù)據(jù)寫到累加器a中。同時(shí)upc加1,為執(zhí)行下條微指令做準(zhǔn)備。本指令的t0狀態(tài)也是取指令,完 成的功能是取岀下一條要執(zhí)行的指令機(jī)器碼,并存入upc和ir寄存器中。mov a, r0:本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在t2狀態(tài)時(shí),由上個(gè)取指操作讀出的指令機(jī)器碼為 74h,打入upc后,從微程序存儲(chǔ)器74h單元讀出的微指令的值為0ff77ffh,有效的控制位為maren 和rrd, rrd有效表示從寄存器組r0-r3屮讀出數(shù)據(jù)送到dbus, maren有效表示將數(shù)據(jù)從dbus總線上 打入
17、地址寄存器mar。upc加1取出下條微指令執(zhí)行。在t1狀態(tài)時(shí),由upc做為微程序存儲(chǔ)器地址, 從um的75h單元中讀出微指令的值為0d7bff7h,其中有效的控制位為emrd、emens maroeaeno maroe表示程序存儲(chǔ)器em的地址由地址寄存器mar輸出,emrd表示從程序存儲(chǔ)器em中讀出數(shù)據(jù),emen 表示讀出的數(shù)據(jù)送到地址總線dbus上,aen有效表示將數(shù)據(jù)總 線dbus上的值存入累加器a中。此狀態(tài)下upc要加1,為取下條微指令做準(zhǔn)備。本指令的to狀態(tài)執(zhí)行的是取指操作。取指操作詳細(xì)描述 見(jiàn)程序開(kāi)始部分的取指令的說(shuō)明。mov a, 01:本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在t2狀態(tài)時(shí),由上條取
18、指操作取出的指令機(jī)器碼為 7811,存入upc和ir寄存器后做為微程序存儲(chǔ)器um的地址,讀出微指令的值為0c77fffh,相應(yīng)的冇 效控制位為emrd、pcoe、emen和maren, pcoe有效表示將pc值做為程序存儲(chǔ)器em的地址,emrd表 示從程序存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù),在本指令中此數(shù)據(jù)值為01h, emen表示將讀出的數(shù)據(jù)送到dbus總線, maren表示將dbus總線上的數(shù)據(jù)打入地址寄存器mar。upc同時(shí)加1,取岀下條微指令準(zhǔn)備執(zhí)行。在 t1狀態(tài)時(shí),rflupc做為微程序存儲(chǔ)器地址,從um的79h單元中讀岀微指令的值為0d7bff7ii,對(duì)以參 見(jiàn)上條指令的t1狀態(tài),此微指令的所完成的
19、功能是,以mar的值做為程序存儲(chǔ)器的地址,讀出數(shù) 據(jù)并送到數(shù)據(jù)總線dbus,同吋將此數(shù)據(jù)存入累加器a中。upc加1取出下條微指令準(zhǔn)備執(zhí)行。在t0 狀態(tài),微指令執(zhí)行取指令操作。in:木指令分兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài)時(shí),由上次取指操作取出的指令機(jī)器碼為ocoh,以此 做為微地址從um中取出的微指令值為0ffff17h,有效控制位為aen、x2x1x0二000,因?yàn)閤2、xi、x0 為低,被選中的寄存器為輸入端liin,也就是說(shuō),輸入端口in上的數(shù)據(jù)被允許送到數(shù)據(jù)總線dbus 上,aen有效表示將此數(shù)據(jù)打入累加器a中。同吋upc加1取出下條微指令準(zhǔn)備執(zhí)行。在t0狀態(tài),微 指令執(zhí)行的是取指令操作,取出
20、下條指令準(zhǔn)備執(zhí)行。out:本指令分兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài),由上次取出的指令機(jī)器碼為0c4h,以此為微地址 從微程序存儲(chǔ)器um中讀岀的微指令為0ffdf9fii,有效控制位為outen、x2x1x0二100(二進(jìn)制), s2s1s0二111(二進(jìn)制),s2s1so=111表示運(yùn)算器做“alu直通”運(yùn)算,也就是累加器不做任何運(yùn)算, 直接輸出結(jié)果,而x2x1x0二100表示運(yùn)算器的結(jié)果不移位直接輸出到數(shù)據(jù)總線dbus, oljten有效表示 將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入輸出端口寄存器out內(nèi)。upc加1,取出下條微指令準(zhǔn)備執(zhí)行。在t0狀態(tài), 微指令執(zhí)行的是取指操作,取出下條將要執(zhí)行的指令。實(shí)驗(yàn)2:數(shù)據(jù)運(yùn)
21、算實(shí)驗(yàn)(加/減/與/或)1. 在c0p2000軟件川的源程序窗口輸入下列程序。addca,r1suba,r0anda,#55hora,02hend2. 將程序另存為ex2. asm,將程序匯編成機(jī)器碼,反匯編窗口會(huì)顯示出程序地址、機(jī) 器碼、反匯編指令。程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說(shuō)明0021addca,r1累加器a的值加上寄存器r1加進(jìn)位0135suba,r0累加器a減左r1間址的存儲(chǔ)器內(nèi)容02l l 匕c 30anda,#55累加器a邏輯與立即數(shù)53h0468 02ora,02累加器a邏輯或存儲(chǔ)器02單元的內(nèi)容3.按快捷圖標(biāo)的f7,執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能,觀察執(zhí)行每條微指令時(shí),寄存器的輸入
22、/輸出狀態(tài),各控制信號(hào)的狀態(tài),pc及upc如何工作。(見(jiàn)“ex2. asm程序跟蹤結(jié)果”詳細(xì)介紹)4. 在了解數(shù)據(jù)運(yùn)算的原理,可以加上一些數(shù)據(jù)傳輸指令給累加器a或寄存器r?賦值,再運(yùn) 算,并觀察運(yùn)算結(jié)果。ex2.asm程序跟蹤結(jié)果助記符狀念微地址微程序數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)打入地址輸出移位控劍upcpcto00cbffff折令離”器irpc輸出a輸出9入00 addc a. r1t220fff7ef寄存狀暫a輸出*1t121fffe9ialu fl 通寄存器a杯念位c.z帶進(jìn)位加運(yùn)口*1to22cbffff指令寄存器irpc輸出a輸出寫入+101 sub a. drlt331ff77ff寄器值r?地址寄
23、"器mara輸出1t235d7bfef/zrmem寄存aurmar輸岀a輸;1*1t136fffe91aluflil寄伽a標(biāo)上位c.z減運(yùn)r*1to37cbffff折令寄存器irpc輸出a輸*102 and a. »55t25cc7ffef“r:器值em寄存器pc輸出a輸:1*1t15dfffe93alu1寄存器a標(biāo)志位gz與運(yùn)算*1to5ecbffff折令寄存器irpc輸出a輸耳入101 ora. 02t368c77fff“r:能值em地址寄存jrmarpc 輸;iia輸;1*1*1t269d7bfef存貯器值em寄存器mar輸出a輸1t16afffe92aluly 通寄
24、存器a標(biāo)志位c,z成運(yùn)算+1to6bcbffff折令寄存器irpc綸出a輸耳入*1程序的開(kāi)始執(zhí)行一條取指的微指令,讀入程序第一條指令。addc a, r1:本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在t2狀態(tài),由上次取指操作取出的指令碼為21h,由iren存入指令寄存器ir,最低兩位為01(二進(jìn)制),選擇寄存器r1,指令碼由于iren打入upc時(shí), 忽略掉指令的最低兩位,而將upc的最低兩位置成00, upc的值為2011,訪問(wèn)微程序存儲(chǔ)器的20h 單元,讀出微指令值為0fff7efh,有效位為rrd及wen,就是將r1內(nèi)容送到工作寄存器w, upc加1 取出下條微指令。在t1狀態(tài),讀出的微指令值為0fffe94
25、h,有效位為fe7和aem, fen完成的操作 是將標(biāo)志位存入標(biāo)志寄存器f(alu內(nèi)部),x2x1x0選擇“alu直通”到數(shù)據(jù)總線dbus, s2s1s0選擇 的運(yùn)算操作為“帶進(jìn)位的加法運(yùn)算”,aen將dbus上的數(shù)據(jù)存入累加器a。在t0狀態(tài),取出下條將要 執(zhí)行的指令。sub a, r1:本指令有四個(gè)狀態(tài)周期。在t3狀態(tài),上次収出的指令碼為35h,最低兩位用于 尋址r1寄存器,upc的最低兩位置0,來(lái)訪問(wèn)邊的34h單元的微指令,讀出值為0ff77ffh,將r1的值 存入mar。在t2狀態(tài),微指令為0d7bfefh,表示用mar做為地址從em屮讀出數(shù)據(jù)送到dbus再存到w 屮。在t1狀態(tài)微指令為
26、0fffe91h,表示alu做“減運(yùn)算”,其結(jié)果直通到dbus,再存入a屮,同時(shí)保 存標(biāo)志位。to狀態(tài)為取指操作。and a, #55:本指令為三個(gè)狀態(tài)周期。在t2狀態(tài),微指令值為0c7ffefh,表示以pc做為地 址,從em中讀出數(shù)據(jù)送到dbus,再將dbus數(shù)據(jù)存w中。在t1狀態(tài),微指令為0fffe93ii,表示a和w 做“邏輯與”運(yùn)算,結(jié)果直通到dbus,再存入a中,并保存標(biāo)志位。or a, 02:本指令有四個(gè)狀態(tài)周期。在t3狀態(tài),微指令為0c77fffh,表示以pc做為地址, 從em中讀出數(shù)據(jù)送到dbus,并存mar中。在t2狀態(tài),微指令為0d7bfefh,表示以mar做為地址,從 e
27、m屮讀岀數(shù)據(jù)送到dbus,并存入w中。在t1狀態(tài)微指令為0effe92h,表示a和w做“邏輯或”運(yùn)算, 結(jié)果“直通”到dbus并存入a中。t0狀態(tài)為取指操作。實(shí)驗(yàn)3:移位/取反實(shí)驗(yàn)1. 在c0p2000軟件中的源程序窗口輸入下列程序。mov a, #55hrr arlc acpl aend2. 將程序另存為ex3. asm,將程序匯編成機(jī)器碼,反匯編窗口會(huì)顯示出程序地址、機(jī)器碼、 反匯編指令。程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說(shuō)明007c 55mova, #55立即數(shù)55h存入累加器a02d0rra不帶進(jìn)位右移累加器a03dcrlca帶進(jìn)位左移累加器a04e4cpla累加器a內(nèi)容取反3.按快捷圖標(biāo)的
28、f7,執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能,觀察執(zhí)行每條微指令時(shí),寄存器的輸入/輸出狀態(tài),各控制信號(hào)的狀態(tài),pc及upc如何工作。(見(jiàn)“ex3. asm程序跟蹤結(jié)果”詳細(xì)介紹)ex3.asm和f跟蹤結(jié)果助記符狀態(tài)微地址微程序數(shù)林輸出數(shù)期打入地址輸出運(yùn)厲器移位控制upcpcto00cbffff指令寄存器irpc輸出a輸岀q入*100 mov a. »6dt17cc7fff7"t:器值ell林器apc輸出a輸出*1to7dcbffff捋令寄存器irpc輸出a輸出耳入*102 rrat1dofffcb7alu右移寄存器a標(biāo)右位c.za輸出右移*1todicbffff指令寄存器irpc輸出a輸
29、出寫入03 rlc at1dcfffed7aluzi:移寄存器a標(biāo)志位c.za輸出帶進(jìn)位左移*1toddcbffff指令寄存器irpc輸出a輸出曷入*101 cpl at1e4fffe96alu“ 通寄存器a標(biāo)上位gza収反*1toeocbffff折令寄存器irpc輸出a輸岀寫入1程序的開(kāi)始執(zhí)行一條取指的微指令,讀入程序第一條指令。mov a, #55:將累加器的值設(shè)為055h,以便下面觀察。rr a:本指令為兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài),由上次取指操作取出的指令碼為d0ii,訪問(wèn)微 程序存儲(chǔ)器的2011單元,讀出微指令值為0fffcb7ii,有效位為cm、fen及aen,表示不帶進(jìn)位移位, 運(yùn)算
30、器控制s2s1s0二111(二進(jìn)制)表示運(yùn)算不運(yùn)算,輸出結(jié)果就為a的值,x2x1xo=1o1(-進(jìn)制)表 示,運(yùn)算器“右移”輸出到總線,fen將標(biāo)志位保存,aen將dbus內(nèi)容存入a中,upc加1取出下條微 指令。在t0狀態(tài),取出下條將要執(zhí)行的指令。rlc a:本指令有兩個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài)微指令為0fffed7h, cn二1表示帶進(jìn)位移位, s2s1so=111表示alu不做運(yùn)算,直接輸 出a內(nèi)容,x2x1x0二110(二進(jìn)制)表示,運(yùn)算器“左移”輸出 到dbus, aen表示dbus內(nèi)容存入a中,fen表示保存標(biāo)志位。t0狀態(tài)為取指 操作。取出下條將要執(zhí) 行的指令。cpl a:本指令為兩
31、個(gè)狀態(tài)周期。在t1狀態(tài),微指令為0fffe96h, s2s1s0二110表示alu做“取 反”運(yùn)算,x2x1x0二100(二進(jìn)制)表示,運(yùn)算器結(jié)果直通到dbus,再存入八中,并保存標(biāo)志位。t0 狀態(tài)為収指操作。収出下條將要執(zhí)行的指令。實(shí)驗(yàn)4:轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)1.在c0p2000軟件中的源程序窗口輸入下列程序。mova, #01loop:suba, #01jcloopjzloopjmp0cplaend2.將程序另存為ex4.asm,將程序匯編成機(jī)器碼,反匯編窗口會(huì)顯示出程序地址、機(jī) 器碼、反匯編指令。程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說(shuō)明007c 01mov a, #01立即數(shù)01h存入累加器a023c 01
32、sub a, #01累加器a減104a0 02jc02若有進(jìn)位跳到程序02地址06a4 02jz02若a=0跳轉(zhuǎn)到程序02地址08ac 00jmp 00無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到程序開(kāi)始3. 按快捷圖標(biāo)的f7,執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能,觀察執(zhí)行每條微指令時(shí),寄存器的輸入/ 輸出狀態(tài),各控制信號(hào)的狀態(tài),pc及upc如何工作。觀察在條件滿足和不滿足的情況下,條件 跳轉(zhuǎn)是否正確執(zhí)行。(見(jiàn)“ex4.asm程序跟蹤結(jié)果”詳細(xì)介紹)ex4asm用序跟蹤結(jié)果助記符微地址c程序數(shù)獻(xiàn)輸岀玫第打入地址輸岀移位控制upcto00cbfffftti令奇仔2s1rpc.出a出得入100 mov a. »01t17cc7ff
33、f7pcw出a®|i1to7dcbffffpc輸出am耳入*i02 sub a. «01t23cc7ffef/firsffldipc vima出1*it13dfffe91aluftifl奇仙a 位gzmi&n*1to3ecbffffpc 出amlh耳入101 jc02t1aoc6ffffpc出a.出iu入toalcbffffpc輸岀a編出q入106 jz02t1alc6fffffrrsffiem$存器pcpc*a輸卅i耳入toa5cbffff侈器1rpc輸“atl綽入*isub a. «01t23cc7ffefpc輸出*it13dfffe91alu8a杯者
34、位c.zto3ecbffff指令寄存2sirfcem"入104 jc02t1a0c6fffffrrasfftem奇“ epcpc輸岀a輸出*i"入tocbfff»ii件入102 sub a. moit23cc7ffefpc" hit13dfffe91aluflifi杯主位c.zmmto3ecbffff指x存»irpc出a出寫入101 jc02t1a0c6ffff<rlc2stflem奮pc輸岀alft出i耳入toalcbffff指令 zf</airpc輸岀出耳入106 jz02t1alc6ffff備存atpcpc輸出a出-i歸入to
35、a5cbffff折令pc輸出a綸出歸入108 jmp 00t1acc6ffffffrsmem奮存器pcpoftthaltaii得入toadcbffffiti令濟(jì)”為】rpc.出atth耳入100 mov a. «01t17cc7fff7fffbaka#程序的開(kāi)始執(zhí)行一條取指的微指令,讀入程序第一條指令。mov a, #01:將累加器的值設(shè)為01h,用于下面計(jì)算來(lái)產(chǎn)生進(jìn)位標(biāo)志和零標(biāo)志。sub a, #01: a值原為1,將a值第一次減1后,應(yīng)產(chǎn)生“零標(biāo)志”位。jc 02:由上條収指讀出的指令碼為oaoh,存入tr寄存器后,tr3、tr2的值為00(二進(jìn)制), 表示判進(jìn)位跳轉(zhuǎn)功能,指令碼
36、存入upc后,從um讀出的微指令值為0c6ffffh,表示以pc為地址從 em小讀出數(shù)據(jù)02h并送到dbus, ei.p為低成有效狀態(tài),與ir3、ir2組成進(jìn)位跳轉(zhuǎn)控制,此時(shí)若有進(jìn) 位,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào),將總線dbus上的值02h打入pc,下條微指令取指時(shí),就會(huì)從em新的地 址02中讀指令碼;此時(shí)若無(wú)進(jìn)位,dbus上的值被忽略,pc加1,下條取指操作按新pc取出指令碼執(zhí) 行。當(dāng)前無(wú)進(jìn)位標(biāo)志,順序執(zhí)行下條指令。jz 02:由上條取指讀出的指令碼為0a4h,存入ir寄存器后,ir3、ir2的值為01 (二進(jìn)制), 表示判零跳轉(zhuǎn)功能,指令碼存入upc后,從um讀出的微指令值為0c6ffffh,表
37、示以pc為地址從em 屮讀出數(shù)據(jù)02h并送到dbus, elp為低成有效狀態(tài),與1r3、1r2組成零跳轉(zhuǎn)控制,與上條指令相比, 盡管微指令相同,由于指令碼不同,上一個(gè)為判進(jìn)位跳轉(zhuǎn),這個(gè)為判零跳轉(zhuǎn)。此時(shí)若零標(biāo)志位為1, 即a二0時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào),將總線dbus上的值02時(shí)入pc,下條微指令取指時(shí),就會(huì)從em 新的地址02中讀指令碼;此時(shí)若零標(biāo)志位為0, dbus上的值被忽略,pc加1,下條取指操作按新pc 収出指令碼執(zhí)行。由于a二0,零標(biāo)志位為1,產(chǎn)生pc打入信號(hào),將dbus上的值02h打入pc。下一條 取指操作,po02,以pc為地址從em的02單元取出指令碼執(zhí)行,程序轉(zhuǎn)到02地址。s
38、ub a, #01: a值現(xiàn)為0,再減1后,a二0ffh,并產(chǎn)生“進(jìn)位標(biāo)志”位。jc 02:此為判進(jìn)位跳轉(zhuǎn)指令,此時(shí)由于進(jìn)位標(biāo)志為1,與elp、ir3、1r2組成的電路產(chǎn)生pc打入信號(hào),將數(shù)據(jù)總線上的值存 入pc,程序跳轉(zhuǎn)到0211地址執(zhí)行。sub a, #01: a值現(xiàn)為0ffh,再減1后,a=ofeh,無(wú)“零標(biāo)志”,無(wú)“進(jìn)位標(biāo)志”位。jc 02:此為判進(jìn)位跳轉(zhuǎn)指令,此吋無(wú)進(jìn)位標(biāo)志,程序順序執(zhí)行下條指令。jz 02:此為判零跳轉(zhuǎn)指令,此時(shí)無(wú)零標(biāo)志位,程序順序執(zhí)行下條指令。jmp 00:由上條取指操作讀出的指令碼為oach,存入ir寄存器后,1r3、ir2的值為11(二 進(jìn)制),此為無(wú)條件跳轉(zhuǎn)
39、控制,指令碼存入upc后,從um讀出的微指令為0c6ffff1i,表示以pc為地 址從em中讀出數(shù)據(jù)并送到數(shù)據(jù)總線dbus上,因?yàn)閑lp有效,與tr3、ir2組合產(chǎn) 生pc的打入信號(hào), 將dbus上的數(shù)據(jù)存入pc中,下一條取指微指令按新的pc值讀11!程序的指令碼。mov a, #01:程序從開(kāi)頭重新執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)5:編寫微指令建立一個(gè)有如下指令的系統(tǒng):指令助記符指令意義描述lda, #11將立即數(shù)裝入累加器aadd a, #11累加器a加立即數(shù)goto mm無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令outa累加器a輸出到端口因?yàn)橛布到y(tǒng)需要指令機(jī)器碼的最低兩位做為r0-r3寄存器尋址用,所以指令機(jī)器碼要忽 略掉這兩位。我們
40、暫定這四條指令的機(jī)器碼分別為04h, 08h, och, 10h。(1)打開(kāi)60p2000組成原理實(shí)驗(yàn)軟件,選擇文件|新建指令系統(tǒng)/微程序,清除原來(lái)的指令/微程序系統(tǒng),觀察軟件下方的“指令系統(tǒng)”窗口,所有指令碼都“未使用”。指令舷1訕徽程序|跟蹤|助記符|機(jī)器碼1|機(jī)器碼2 |機(jī)器碼3 |注釋j.patch.ooooooxx 00-03:實(shí)驗(yàn)機(jī)占用 > 不可修改。負(fù)位肓 > 筋有雪存罌渚0 >音先執(zhí)行jatch.指令取指1000001xx04 07未使用000010xx08 未使用000011xx 0c of未使用ooolooxx10 - 13未使用ooololxx14 -
41、17未使用0001loxx18 - ib未使用0001llxx1c - if未使用ooloooxx 20-23未便用觥符操作數(shù)1操作數(shù)2機(jī)器碼l機(jī)器珂2機(jī)器碼3*.|fatch1 e,1 32. 選擇第二行,即“機(jī)器碼1”為0000 01xx行,在下方的“助記符”欄填入數(shù)據(jù)裝載功能 的指令助記符“l(fā)d”,在“操作數(shù)1”欄選擇“人”,表示第一個(gè)操作數(shù)為累加器ao在“操作數(shù)2” 欄選擇表示第二個(gè)操作數(shù)為立即數(shù)。按“修改”按鈕確認(rèn)。3. 選擇第三行,即“機(jī)器碼1”為0000 10xx行,在下方的“助記符”欄填入加法功能的 指令助記符“add”,在“操作碼1”欄選擇“a”,表示第一操作數(shù)為累加器a,在
42、“操作數(shù)2” 欄選擇表示第二操作數(shù)為立即數(shù)。按“修改”按鈕確認(rèn)。4. 選擇第四行,即“機(jī)器碼1”為0000 11xx行,在下方的“助記符”欄填入無(wú)條件跳轉(zhuǎn) 功能的指令助記符“goto”,在“操作碼1”欄選擇“mm”,表示跳轉(zhuǎn)地址為mm,此指令無(wú)第二 操作數(shù),無(wú)需選擇“操作數(shù)2”。按“修改”按鈕確認(rèn)。因?yàn)橛布O(shè)計(jì)時(shí),跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)控制需 要指令碼的第3位和第2位ir3、ir2來(lái)決定,無(wú)條件跳轉(zhuǎn)的控制要求ir3必需為1,所以 無(wú)條件跳轉(zhuǎn)的機(jī)器碼選擇在此行,機(jī)器碼為000011xx。5. 選擇第五行,即“機(jī)器碼1”為0001 00xx行,在下方的“助記符”欄填入輸出數(shù)據(jù)功 能 的指令助記符“outa
43、”,由于此指令隱含指定了將累加器a輸出到輸出商品寄存器,所以不用選 擇“操作碼1”和“操作數(shù)2”,按“修改”按鈕確認(rèn)?,F(xiàn)在我們只是輸入了四條指令(見(jiàn)下圖),下面要做的是根據(jù)指令的功能來(lái)設(shè)汁相應(yīng)的微程序。6. 將窗口切換到“um微程序”窗口,現(xiàn)在此窗口中所有微指令值都是0ffffffh,也就是無(wú)任何操作,我們需要在此窗口輸入侮條指令的微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)該指令的功能。7. 每個(gè)程序開(kāi)始要執(zhí)行的第一條微指令應(yīng)是取指操作,因?yàn)槌绦驈?fù)位后,pc和upc的值都為0,所以微程序的0地址處就是程序執(zhí)行的第一條取指的微指令。取指操作要做的工作是從程序存 儲(chǔ)器em中讀出下條將要執(zhí)行的指令,并將指令的機(jī)器碼存入指令寄存
44、器ir和微程序計(jì)數(shù)器upc 中,讀出下條操作的微指令。根據(jù)此功能,首先選中“_fatcii_”指令的第一行,觀察窗口下方的 各控制信號(hào),有“勾”表示信號(hào)為高,處于無(wú)效狀態(tài),去掉“勾”信號(hào)為低,為有效狀態(tài)。要從 em中讀數(shù),emrd必需有效,去掉信號(hào)下面的“勾”使其有效;讀em的地址要從pc輸出,所pc0e要 有效,允許pc輸出,去掉pc0下面的“勾”,pc0e有效同時(shí)還會(huì)pc加1,準(zhǔn)備讀em的下一地iren是 將em讀出的指令碼存入upc和1r,所以要去掉1rek的“勾”使其有效。這樣,取指操作的微指令就 設(shè)計(jì)好了,取指操作的微指令的值ocbffffho8. 現(xiàn)在我們來(lái)看把立即數(shù)裝入累加器a要
45、做哪些工作,首先要從em屮讀出立即數(shù),并送 到數(shù)據(jù)總線dbus,再dbu上將數(shù)據(jù)打入累加器a中,按照這個(gè)要求,從em中讀數(shù)據(jù),emrd應(yīng)該有 效,em的地址由pc輸出,pc0e必需有效,讀出的數(shù)據(jù)送到dbus, emen也應(yīng)有效,要求將數(shù)據(jù)存入a 屮,aen也要有效,選中“l(fā)d a, #11”指令的第一行,根據(jù)前而描述,將所有有效位下面的“勾” 去掉,使其有效,這條微指令的值為0c7fff7ii。為了保證程序的連續(xù)執(zhí)行,每條指令的最后必需 是収指令,収出下條將要執(zhí)行的指令。選中指令的第二行(第二條微指令)填入?yún)е覆僮魉璧?有效位,(取操作描述可見(jiàn)第7步)。9. 本指令為立即數(shù)加法指令,立即數(shù)
46、加可分兩步,首先從em屮讀出立即數(shù),送到dbus,并 存入工作寄存器w屮,從em屮讀數(shù),emrd應(yīng)有效,讀em的地址由pc輸出,pc0要有效,讀出的數(shù)據(jù) 要送到dbus, emen應(yīng)有效,數(shù)據(jù)存入w中,we應(yīng)有效,根 據(jù)描述,選中“add a, #11”指令的第 一行,將有效信號(hào)的“勾”去掉,使其有效,這條微指令的值為0c7ffefiu第二步,執(zhí)行加法操 作,并將結(jié)果存入a中。執(zhí)行加法操作,s2s1s0的值應(yīng)為000(二進(jìn)制),結(jié)果無(wú)需移位直接輸 出到dbus, x2x1x0的值就 要為100(二進(jìn)制),從dbus將數(shù)據(jù)再存入a中,aen應(yīng)有效。與此同時(shí), abus和1bus空閑,取指操作可以
47、并行執(zhí)行,也就是以pc為地址,從em屮讀岀下條將要執(zhí)行指 令的機(jī)器碼,并打入ir和upc中,根據(jù)取指操作的說(shuō)明,emrd、pcoe、1ren要有效,根據(jù)上 面描述,選中該指令的第二行,將emrd、pcoe、iren、x2x1x0、aen、s2s1s0都置成有效和相應(yīng) 的工作方式,此微指令的值為0cbff90ii。10. “goto mm”為無(wú)條件跳轉(zhuǎn),所要執(zhí)行的操作為從em中讀出目標(biāo)地址,送到數(shù)據(jù)總線dbus 上,并存入pc中,實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。從em中讀數(shù),emrd要有效,讀em的地址由pc輸出,pcoe 有效,數(shù)據(jù)送到dbus, emen要有效,將數(shù)據(jù)打入pc中,由兩位決定,elp有效,指令寄
48、存器ir 的第三位1r3應(yīng)為1,由于本指令機(jī)器碼為och,存入ir后,1r3為1。選屮“goto mm”指 令的第一行,將上面的emrd、pcoe、emen、elp設(shè)成低,使其成為有效狀態(tài),結(jié)合指令的第三 位,實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn),這條微指令的值為0c6ffffii。下條微指令應(yīng)為取指操作,選中此指令的第 二行,將emrd、pcoe、iren設(shè)成有效,微指令的值為0cbffffh。11. “outa”,將累加器的內(nèi)容輸出到輸出端口。其操作為累加器a不做運(yùn)算,直通輸出,alu 結(jié)果不移位輸岀到dbus, dbus上的數(shù)據(jù)存入輸出商品outo累加器a直通輸岀結(jié)果,s2s1s0值 要為111(二進(jìn)制),al
49、u結(jié)果不移位輸出到數(shù)據(jù)總線dbus, x2x1x0的值要等于100(二進(jìn)制), dbus數(shù)據(jù)要打入out,那么outen應(yīng)有效。與此同時(shí),abus和tbus空閑,収指操作可以并 行執(zhí)行,也就是以pc為地址,從em中讀出下條 將要執(zhí)行指令的機(jī)器碼,并打入ir和upc中, 根據(jù)取指操作的說(shuō)明,emrd、pcoe、iren要有效,綜上所述,選中此指令的第一行,將emrd、 pcoe、iren、outen、x2x1x0、s2s1s0置成有效狀態(tài)和相應(yīng)的工作方式,微指令的值為0cbdf9fh。12. 選擇菜單文件|保存指令系統(tǒng)/微程序功能,將新建的指令系統(tǒng)/微程序保存下來(lái),以便以后調(diào)用。為不與已有的兩個(gè)
50、指令系統(tǒng)沖突,將新的指令系統(tǒng)/微程序保存為'tnst3.1ns”。13. 在源程序窗口輸入下面程序。lda, «0loop:adda, #1outagotoloop14. 將程序另存為new_inst. asm,將程序匯編成機(jī)器碼,觀察反匯編窗口,會(huì)顯示11!程 序 地址、機(jī)器碼、反匯編指令。程序地址機(jī)器碼反匯編指令指令說(shuō)明0004 00lda,戲00立即數(shù)ooh存入累加器a0208 01add a, #01累加器a值加10410outa累加器a輸出到輸出端口 out050c 02goto 02程序無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到02地址15. 按快捷圖標(biāo)的f7,執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能,觀察執(zhí)
51、行每條微指令時(shí),數(shù)據(jù)是否按 照設(shè)計(jì)要求流動(dòng),寄存器的輸入/輸出狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求,各控制信號(hào)的狀態(tài),pc及upc如 何工作是否正確。到此為止,我們利用c0p2000軟件系統(tǒng)已經(jīng)建成了一個(gè)新的指令系統(tǒng)/微程序。新的指令系 統(tǒng)從匯編助記符到指令機(jī)器碼到微指令都與原來(lái)的指令系統(tǒng)有所不同。成為一個(gè)真正的指令系統(tǒng)。 可以用快捷圖標(biāo)上的“生成組合邏輯控制器abel程序”功能將微程序轉(zhuǎn)換組合邏輯控制方式的 abel語(yǔ)言程序,在eda開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上編譯后,編程到cpld上,用組合邏輯來(lái)控制程序的運(yùn)行。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(一)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中部分截圖m33 mird*e $8 abgd 亠 eqltagzjl a qaltjullqjw2 5u3fita« a ffx9
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