第六節(jié) CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行試驗(yàn)

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第六節(jié)CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個(gè)數(shù)據(jù)通路）聯(lián)機(jī)，組成一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)；（2）用微程序控制器控制模型機(jī)數(shù)據(jù)通路；

（3）通過(guò)CPU運(yùn)行九條機(jī)器指令（排除中斷指令）組成的簡(jiǎn)單程序，把握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，穩(wěn)固建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。

二、試驗(yàn)電路

本次試驗(yàn)用到前面四個(gè)試驗(yàn)中的所有電路，包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、通用寄放器堆、程序計(jì)數(shù)器、指令寄放器、微程序控制器等，將幾個(gè)模塊組合成為一臺(tái)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)。因此，在基本試驗(yàn)中，這是最繁雜的一個(gè)試驗(yàn)，也是最能得到收獲的一個(gè)試驗(yàn)。在前面的試驗(yàn)中，試驗(yàn)者本身作為“控制器〞，完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本次試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成。CPU從內(nèi)存取出一條機(jī)器指令到執(zhí)行指令終止的一個(gè)機(jī)器指令周期，是由微指令組成的序列來(lái)完成的，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。

三、試驗(yàn)設(shè)備

（1）TEC－４計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)（2）雙蹤示波器一臺(tái)（3）直流萬(wàn)用表一只（4）規(guī)律測(cè)試筆一支

四、試驗(yàn)任務(wù)

（1）對(duì)機(jī)器指令系統(tǒng)組成的簡(jiǎn)單程序進(jìn)行譯碼。

將下表的程序按指令格式手工匯編成十六進(jìn)制機(jī)器代碼，此項(xiàng)任務(wù)應(yīng)在預(yù)習(xí)時(shí)完成。

（2）依照下面框圖，參考前面試驗(yàn)的電路圖完成連線，控制器是控制部件，數(shù)據(jù)通路（包括上面各模塊）是執(zhí)行部件，時(shí)序產(chǎn)生器是時(shí)序部件。連線包括控制臺(tái)、時(shí)序部分、數(shù)據(jù)通路和微程序控制器之間的連接。其中，為把操作數(shù)傳送給通用寄放器組RF，數(shù)據(jù)通路上的RS1、RS0、RD1、RD0應(yīng)分別與IR3至IR0連接，WR1、WR0也應(yīng)接到IR1、IR0上。

開(kāi)關(guān)控制

控制臺(tái)時(shí)序發(fā)生器開(kāi)關(guān)控制指示燈信號(hào)控制信號(hào)時(shí)序信號(hào)控制信號(hào)

微程序控制器數(shù)據(jù)通路指令代碼、條件信號(hào)

模型計(jì)算機(jī)連線示意圖

（3）將上述任務(wù)（1）中的程序機(jī)器代碼用控制臺(tái)操作存入內(nèi)存中，并根據(jù)程序的需要，用數(shù)碼開(kāi)關(guān)SW7—SW0設(shè)置通用寄放器R2、R3及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。注意：由于設(shè)置通用寄放器時(shí)會(huì)破壞內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)，因此一般應(yīng)先設(shè)置寄放器的數(shù)據(jù)，再設(shè)置內(nèi)存數(shù)據(jù)。（4）用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序，列表記錄通用寄放器堆RF中四個(gè)寄放器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)（程序終止后從RAM的相應(yīng)單元中讀出），與理論分析值作對(duì)比。單拍方式執(zhí)行時(shí)注意觀測(cè)微地址指示燈、IR/DBUS指示燈、AR2／AR1指示燈和判斷字段指示燈的值，以跟蹤程序中取指令和執(zhí)行指令的詳細(xì)過(guò)程（可觀測(cè)到每一條微指令）。（5）以單指（DZ）方式重新執(zhí)行程序一遍，注意觀測(cè)IR/DBUS指示燈、AR2/AR1指示燈的值（可觀測(cè)到每一條機(jī)器指令）。執(zhí)行終止后，記錄RF中四個(gè)寄放器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論分析值作對(duì)比。注意：?jiǎn)沃阜绞綀?zhí)行程序時(shí)，四個(gè)通用寄放器和RAM中的原始數(shù)據(jù)與第一遍執(zhí)行程序的結(jié)果有關(guān)。

（6）以連續(xù)方式（DB、DP、DZ都設(shè)為０）再次執(zhí)行程序。這種狀況相當(dāng)于計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行程序。由于程序中有停機(jī)指令STP，程序執(zhí)行到該指令時(shí)自動(dòng)停機(jī)。執(zhí)行終止后，記錄RF中四個(gè)寄放器的數(shù)據(jù)，以及由STA指令存入RAM中的數(shù)據(jù)，與理論分析值作對(duì)比。同理，程序執(zhí)行前的原始數(shù)據(jù)與其次遍執(zhí)行結(jié)果有關(guān)。

五、試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)結(jié)果

（1）對(duì)機(jī)器指令系統(tǒng)組成的簡(jiǎn)單程序進(jìn)行譯碼。

（2）接線

本試驗(yàn)的接線比較多，需細(xì)心。1．將跳線開(kāi)關(guān)J1用短路子短接。時(shí)序發(fā)生器的輸入TJI接控制存儲(chǔ)器的輸出TJ。控制器

的輸入C接運(yùn)算器ALU的C。控制器的輸入IR7、IR6、IR5、IR4依次指令寄放器IR的輸出IR7、IR6、IR5、IR4。共6條線。2．控制器的輸出LDIR（CER）、LDPC(LDR4)、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、

AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、M1（M2）、S2、S1、S0依次與數(shù)據(jù)通路的對(duì)應(yīng)信號(hào)連接。共27條線。3．指令寄放器IR的輸出IR0接雙端口寄放器堆的RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接RS0，

IR3接RS1。共6條線。

合上電源。按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。

（3）存程序機(jī)器代碼，設(shè)置通用寄放器R2、R3及內(nèi)存相關(guān)單元的數(shù)據(jù)。

設(shè)置通用寄放器R2、R3的值。

在本操作中，我們計(jì)劃使R2=60H，R3=61H。

1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA

=1，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于寄放器加載工作方式KLD。按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。

2．在SW7—SW0上設(shè)置一個(gè)存儲(chǔ)器地址，該存儲(chǔ)器地址供設(shè)置通用寄放器使用。該存儲(chǔ)器

地址最好是不常用的一個(gè)地址，以免設(shè)置通用寄放器操作破壞重要的存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容。例如可將該地址設(shè)置為0FFH。按一次QD按鈕，將0FFH寫(xiě)入AR0和AR1。

3．在SW7—SW0上設(shè)置02H，作為通用寄放器R2的寄放器號(hào)。按一次QD按鈕，則將02H

寫(xiě)入IR。

4．在SW7—SW0設(shè)置60H，作為R2的值。按一次QD按鈕，將60H寫(xiě)入IR指定的R2寄放器。5．在SW7—SW0上設(shè)置03H，作為通用寄放器R3的寄放器號(hào)。按一次QD按鈕，將03H寫(xiě)入

IR。

6．在SW7—SW0設(shè)置61H，作為R3的值。按一次QD按鈕，將61H寫(xiě)入R3。7．設(shè)置R2、R3終止，按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

存程序機(jī)器代碼。

本操作中，我們從00地址開(kāi)始存10個(gè)機(jī)器代碼：58H，5DH，04H，95H，3EH，1BH，4BH，24H，60H，84H。在60H存入24H，用于給R0置初值；在61H存入83H，用于給R0置初值。1．令DP=0，DB=0，DZ=0，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。令SWC=0、SWB=1、SWA

=0，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于寫(xiě)雙端口存儲(chǔ)器工作方式KWE。按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。2．置SW7—SW0為00H，按QD按鈕，將00H寫(xiě)入AR1。3．置SW7—SW0為58H，按QD按鈕，將58H寫(xiě)入存儲(chǔ)器00H單元。AR1自動(dòng)加1，變?yōu)?1H。4．置SW7—SW0為5DH，按QD按鈕，將5DH寫(xiě)入存儲(chǔ)器01H單元。AR1自動(dòng)加1，變?yōu)?2H。5．按QD按鈕，使AR1+1。AR1此時(shí)為02H。6．重復(fù)進(jìn)行下去，一直到將84H寫(xiě)入存儲(chǔ)器09H單元。按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)恢復(fù)到初

始狀態(tài)。7．置SW7—SW0為60H，按QD按鈕，將60H寫(xiě)入AR1。8．置SW7—SW0為24H，按QD按鈕，將24H寫(xiě)入存儲(chǔ)器60H單元。AR1自動(dòng)加1，變?yōu)?1H。9．置SW7—SW083H，按QD按鈕，將83H寫(xiě)入存儲(chǔ)器61H單元。按CLR#按鈕，使試驗(yàn)系統(tǒng)

恢復(fù)到初始狀態(tài)。

(4)用單拍（DP）方式執(zhí)行一遍程序。

在單拍執(zhí)行過(guò)程中，首先要隨時(shí)監(jiān)測(cè)AR2的值和IR的值，以判定程序執(zhí)行到何處，正在執(zhí)行哪條指令。監(jiān)測(cè)微地址指示燈和判斷字段指示燈，對(duì)照微程序流程圖，可以判斷出微指令的地址和正在進(jìn)行的微操作。程序執(zhí)行的結(jié)果如下：

初值：R0未定，R1未定，R2=60H，R3=61H。存儲(chǔ)器60H單元的內(nèi)容是24H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]

執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=24H。2．LDAR1,[R3]

執(zhí)行結(jié)果R3=61H，R1=83H。3．ADDR0,R1

執(zhí)行結(jié)果R0=0A7H，R1=83H，C=0。4．JC+5

執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，由于C=0。5．ANDR2,R3

執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=61H。6．SUBR3,R2

執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H7．STAR3,[R2]

執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R3=01H，存儲(chǔ)器60單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1

執(zhí)行結(jié)果R0=15H，R1=83H9．STP

執(zhí)行結(jié)果：無(wú)變化10．JMP[R1]

執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到83H。

第一遍執(zhí)行終止。執(zhí)行結(jié)果是R0=15H，R1=83H，R2=60H，R3=01H，存儲(chǔ)器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。

（5）用單指（DZ）方式執(zhí)行一遍程序。

初值:R0=15H，R1=83H，R2=60H，R3=01H，存儲(chǔ)器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H。1．LDAR0,[R2]

執(zhí)行結(jié)果R2=60H，R0=01H。2．LDAR1,[R3]

執(zhí)行結(jié)果R3=01H，R1=5DH。3．ADDR0,R1

執(zhí)行結(jié)果R0=5EH，R1=5DH，C=04．4．JC+5

執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到03H，由于C=0。5．ANDR2,R3

執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H。6．SUBR3,R2

執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H7．STAR3,[R2]

執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R3=01H，存儲(chǔ)器00單元的內(nèi)容為01H。8．MULR0,R1

執(zhí)行結(jié)果R0=0B6H，R1=5DH9．STP

執(zhí)行結(jié)果：無(wú)變化10．JMP[R1]

執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)移到5DH

其次遍執(zhí)行終止。執(zhí)行結(jié)果是R0=B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，存儲(chǔ)器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H，00H單元的內(nèi)容為01H。

（6）用連續(xù)方式執(zhí)行一遍程序

由于00單元的內(nèi)容已被修改，因此在執(zhí)行前應(yīng)首先恢復(fù)00H單元的內(nèi)容58H。

初值：R0=0B6H，R1=5DH，R2=00H，R3=01H，存儲(chǔ)器60H單元的內(nèi)容是01H，61H單元的內(nèi)容是83H，00H單元的內(nèi)容為58H。1．LDAR0,[R2]

執(zhí)行結(jié)果R2=00H，R0=58H。2．LDAR1,[R3]

執(zhí)行結(jié)果R3=01H，R1=5DH。3．ADDR0,R1

執(zhí)行結(jié)果R0=0B5H，R1=