實驗六：復雜模型機的設計與實現(xiàn)

1、實驗五 復雜模型機的設計與實現(xiàn)一、實驗目的綜合運用所學計算機原理知識，設計并實現(xiàn)較為完整的計算機。二、實驗設備Dais-CMX16+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，實驗用導線若干。三、數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng)1. 數(shù)據(jù)格式模型機規(guī)定采用定點補碼表示數(shù)據(jù)，且字長為8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1 0符號尾數(shù)其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-1X1。2. 指令格式模型機設計四大類指令共16條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機指令。 算術(shù)邏輯指令設計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODERsRd其

2、中，OP-CODE為操作碼，Rs為源寄存器，Rd為目的寄存器，并規(guī)定：Rs或Rd選定的寄存器00011011R0R1R2R3其中R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表5-1。 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令模型機設計2條訪問指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：76 5 43 21 000M2OP-CODERdD（低八）D（高八）其中“0 0 M ”為源碼段，2OP-CODE為目的碼段（LDA、STA指令使用）。D為十六位地址段（低八在前，高八隨后），M為源尋址模式，其

3、定義如下：尋址模式M有效地址E說 明00011011 E = D E = (D) E = (SP)+D E = (PC)+D 直接尋址 間接尋址 SP變址尋址 相對尋址 I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 0Rd 停機指令指令格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODE0 00 0HALT指令，用于實現(xiàn)停機操作。3. 指令系統(tǒng)本模型機共有16條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令9條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其它指令1條。下表列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。 表5-1助記符指令格式功能

4、LDA M,D,Rd00M00RdERdSTA M,D,Rd00M01RdRdEJMP M,D00M1000EPCBZC M,D00M1100當CY=1或Z=1時，EPCMOV Rd,Rs0100RsRdRsRdADC Rd,Rs0101RsRdRs+Rd+CYRdSBC Rd,Rs0110RsRdRs-Rd-CYRdAND Rd,Rs0111RsRdRsRdRdCLR Rd100000Rd0RdINC Rd100100RdRd+1RdCPL Rd101000RdRdRdRRC Rd101100RdCYRdRLC Rd110000RdCYRdIN Rd,I/O110100RdI/ORdOUT

5、Rd,I/O111000RdRdI/OHALT11110000停機圖5-1復雜模型機微程序流程圖按照系統(tǒng)建議的微指令格式，參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼，并將二進制代碼表轉(zhuǎn)換成十六進制格式文件。M23M22M21M20M19M18M17M16M15M14M13M12M11M10M9M8M7M6M5M4M3M2M1M0E/MIPMWRR/M目的編碼OPMCNS2S1S0源編碼XPWALUIuIEIRIczIds源編碼目的編碼M10M9M8功能M19M18M17功能X2X1X0O2O1O0111禁止111禁止110ALU110MAR101SP101BX100IOR100AX0

6、11MRD011SP010XRD010IOW001RRD001XWR000PC000RWR實驗所用的機器指令程序：地址指令代碼助記符功能000D0IN R0IOLR0001D2IN R2IOLR200258ADC R0,R2R0+R2R000341MOV R1,R0R0R1004C0RLC R0RLC R00050C 00 00BZC 000HBZC 000H008F0HALT停機四、實驗方法鍵盤操作首先卸去實驗連接，然后按如下操作，把系統(tǒng)工作方式設為“微控在線”。在待命狀態(tài)0下按【減址】鍵，LCD顯示器顯示工作模式選項：Dais-CMX16+ XXX KLD MUD PLD選擇手動模式按【增

7、址】鍵，將光標移到“MUD”微程序模式，按【減址】鍵確定后，系統(tǒng)先詢問用戶是否使用搭接方式，按【增址】鍵選擇“y”（搭接）或“n”（在線），按【減址】鍵確定：Dais-CMX16+ mud lst y/n I/O y/nDais-CMX16+ mud lst y/n I/O y/n是，選擇搭接方式，須連線否，選擇在線方式，零連線接著系統(tǒng)詢問用戶是否使用擴展I/O方式，按【增址】鍵選擇“y”（擴展I/O）或“n”（微控制器關聯(lián)），按【減址】鍵確定：Dais-CMX16+ mud lst y/n I/O y/nDais-CMX16+ mud lst y/n I/O y/n是，擴展I/O方式否，選擇

8、微控制器關聯(lián)方式確定設置后，系統(tǒng)返回待命狀態(tài)0。Dais-CMX16+ mudM設置完畢，返回待命狀態(tài)機器程序與對應的微控制程序的寫入：在待令狀態(tài)下，鍵入數(shù)字鍵“4”（復雜模型機代號），然后再鍵入【減址】命令鍵，實驗裝置自動裝載由數(shù)字鍵定義的模型機機器程序及對應的微程序，裝載完畢自動返待令態(tài)。運行程序單拍運行：每按一次【單拍】按鈕模型機運行一拍，系統(tǒng)提供可變時序，非“取指”微周期它的節(jié)拍按T1T3T4次序循環(huán)，在取指微周期按T1T2T3T4 次序循環(huán)。微單步：每按一次【單步】命令鍵運行一條微指令，對照微程序流程，觀察微址是否和流程一致。對照微指令表，觀察執(zhí)行結(jié)果是否和理論值一致。宏運行（指令單

9、步或宏調(diào)用）：每按動一次【宏運】命令鍵，運行一條機器指令。對照機器指令程序，觀察PC地址是否和流程一致。程序運行與暫停：按動【運行】命令鍵使模型機進入實時運行狀態(tài)；在實時運行狀態(tài)按左下方任一數(shù)字鍵即可暫停模型機程序的運行，以便實驗者查看模型機現(xiàn)場。聯(lián)機運行雙擊桌面“Dais-CMX 集成開發(fā)環(huán)境”圖標進入聯(lián)機模式在聯(lián)機狀態(tài)下，首先應打開mxj4.asm（復雜模型機機器指令及對應微指令代碼文件），然后點擊工具欄“裝載”按鈕開始裝載，如源程序無語法錯誤即可完成裝載，進入調(diào)試狀態(tài)。可點擊工具欄快捷按鈕，詳細操作如下：l 單節(jié)拍：單擊菜單“運行 單拍運行微指令”命令或單擊工具欄“單拍”按鈕，以單節(jié)拍方

10、式按T1T4順序逐步運行微程序。l 單周期：單擊菜單“運行 單步運行微指令”命令或單擊工具欄“微單步”按鈕，以單周期（T1T4為一個機器周期）方式逐步運行微程序。應用級調(diào)試在機器指令的層面進行逐步調(diào)試，面向應用程序，幫助用戶了解機器指令的執(zhí)行結(jié)果。l 單步機器指令：單擊菜單“運行 單步運行機器指令”命令或單擊工具欄“單步”按鈕，以逐步指令方式執(zhí)行機器程序，遇CALL調(diào)用時跟蹤進入。l 宏單步機器指令：單擊菜單“運行 宏單步運行機器指令”命令或單擊工具欄“宏單步”按鈕，以逐步指令方式執(zhí)行機器程序，遇CALL調(diào)用時跨越執(zhí)行。全速運行單擊菜單“運行 全速運行”命令或單擊工具欄“運行”按鈕，忽略實現(xiàn)細

11、節(jié)，以全速方式運行機器指令、微指令，用來驗證應用程序的運行結(jié)果。暫停與復位暫停：當實驗系統(tǒng)進入全速運行、自動單步等狀態(tài)時，可隨時單擊菜單“運行 暫?！泵罨騿螕艄ぞ邫凇皶和！卑粹o，使實驗系統(tǒng)暫停當前運行的程序，并展現(xiàn)暫停后的模型機現(xiàn)場，幫助用戶觀察各部件的狀態(tài)。復位：在待命狀態(tài)下，單擊菜單“運行 復位”命令或單擊工具欄“復位”按鈕，可對模型機進行復位操作，初始化所有寄存器和標志位。注：復位操作不會破壞程序存儲器、微程序存儲器的內(nèi)容。表5-2復雜模型機微指令表微址00002)1)M23M22M21M20M19M18M17M16代碼M15M14M13M12M11M10M9M8代碼M7M6M5M4M

12、3M2M1M0代碼后續(xù)微址說明E/MIPMWRR/Mo2o1o0OPMCNS2S2S0X2X1X0XPWALUIuIEIRIczIds00011111111FF11111111FF11111111FF+1空操作00110111111BF11111011FB11111010FA可變IBUSIR400011100017111111011FB11101101ED001EMRD408010111115F11111001FB11101101ED001RDEM410001111113F11000110C6001011012D001BXPC41811111111FF11000110FF11110100F44

13、20+CZ條件變址42011111111FF11111111FF11101101ED001空操作421001111113F11000110C6001011012D001BXPC60011111010FA11111011FB11111111FF+1EMBL60110111011BB11111011FB11111111FF+1EMBH60210111100BC11000110C60010011026400+OPBXAR62011111010FA11111011FB11111111FF+1EMBL62110111011BB11111011FB11111111FF+1EMBH62211111100FC

14、11000110C611111111FF+1BXAR623011110107A11111011FB001011112F602EMBX64011111010FA11111011FB11111111FF+1EMBL64110111011BB11111011FB11111111FF+1EMBH64211111000F811111101FD001011112F663RIAX64311111010FA0110011066001011112F602A+BBX續(xù)下表繼上表微址00002)1)M23M22M21M20M19M18M17M16代碼M15M14M13M12M11M10M9M8代碼M7M6M5M4M

15、3M2M1M0代碼后續(xù)微址說明E/MIPMWRR/Mo2o1o0OPMCNS2S2S0X2X1X0XPWALUIuIEIRIczIds66011111010FA11111011FB11111111FF+1EMBL66110111011BB11111011FB11111111FF+1EMBH66211111000F811111000F8001111113F+1PCAX66311111000F811110110F6001011112F643AX-168011110001F111111001F9011011016D001RSRD6A011111010FA10111001B9010111115F+1R

16、SBL6A111111000F811111001F911011111DF+1RDAL6A211110001F10100011046010011014D001A+B+CRD6C011111010FA10111001B9010111115F+1RSBL6C111111000F811111001F911011111DF+1RDAL6C211110001F1010011104E010011014D001A-B-CRD6E011111010FA10111001B9010111115F+1RSBL6E111111000F811111001F911011111DF+1RDAL6E211110001F1111

17、01110EE010011014D001A&BRD70011110001F111011110DE010011014D0010RD72011111000F811111001F911011111DF+1RDAL72111110001F111110110F6010011014D001A+1RD74011111000F811111001F911011111DF+1RDAL74111110001F111001110CE010011014D001A取反RD76011111000F811111001F911011111DF+1RDAL76111110001F1010111105E010011014D001AC右移RD78011111000F811111001F911011111DF+1RDAL78111110001F1010101105601