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

1、評(píng)語(yǔ):課中檢查完成的題號(hào)及題數(shù)： 課后完成的題號(hào)與題數(shù)：成績(jī):自評(píng)成績(jī):85實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：CPU 與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)日期：班級(jí)：10011302學(xué)號(hào)：201302513姓名：周小多一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.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(xiě)相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.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

2、,如圖2-1-1 所示。這個(gè)CPU 在寫(xiě)入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一般存放在主存當(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)。2.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（高位為操作碼）： 助記符機(jī)器指令碼說(shuō)明IN0010 0000INR0ADD 0000 0000R0 + R0R0OUT 0011 0000R0OUTJMP add

3、r 1100 0000 addr PCHLT0101 0000停機(jī)3.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)。 地址 內(nèi)容 助記符 說(shuō)明0000000000100000; START: IN R0從 IN 單元讀入數(shù)據(jù)送 R00000000100000000; ADD R0,R0R0 和自身相加，結(jié)果送 R00000001000110000; OUT R0R0 的值送 OUT 單元顯示0000001111100000; JMP START跳轉(zhuǎn)至 00H 地址0

4、0000100000000000000010101010000; HLT停機(jī)三、項(xiàng)目要求及分析： 1. 試修改現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，將加法指令的功能修改為R0的內(nèi)容和某個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容相加;增加存數(shù)、取數(shù)和減法三條機(jī)器指令，指令助記符分別為 STA、LAD 和SUB，指令操作碼分別為十六進(jìn)制的60、70和80。<1>R0和某個(gè)存儲(chǔ)器相加，R0是可以直接讀進(jìn)來(lái)的，R0和另一個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加，如果兩個(gè)值都是讀入的話(huà)，就要將一個(gè)放在R0中，可以直接讀入，另一個(gè)放存在儲(chǔ)單元?？梢韵葘⒅底x入到R0 中，在將R0保存到其他的存儲(chǔ)單元中，進(jìn)行加法時(shí)從存儲(chǔ)單元中取出放在臨時(shí)寄存器中，這樣是兩個(gè)寄存器相

5、加減就可以。 具體步驟：1）將R0中的數(shù)據(jù)送ALU中的A； 2）給出另一個(gè)數(shù)在內(nèi)存中的地址； 3）從內(nèi)存中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并送ALU中的B； 4）進(jìn)行加法運(yùn)算并將結(jié)果送R0。<2>對(duì)于增加存數(shù)、取數(shù)和減法三條機(jī)器指令， 存數(shù)指令STA具體操作過(guò)程如下： 1）從IN讀入數(shù)據(jù)要存儲(chǔ)的地址； 2）將地址送至AR； 3）從IN讀入要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)； 4）將數(shù)據(jù)送入內(nèi)存中的相應(yīng)存儲(chǔ)單元。對(duì)于取數(shù)指令LAD具體操作過(guò)程如下：1）從IN讀入數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址； 2）將存儲(chǔ)地址送至AR； 3）將取出的數(shù)據(jù)送至R0 &#

6、160;減法指令的具體操作過(guò)程如下： 1）將被減數(shù)送至ALU的； 2）將減數(shù)送至ALU的； 3）ALU進(jìn)行減法操作，結(jié)果送R0； 2. 利用修改后的指令系統(tǒng)編寫(xiě)一段程序，完成十六位二進(jìn)制數(shù)的加減法運(yùn)算。 答： 十六進(jìn)制比八進(jìn)制多了一半，該內(nèi)容利用的指令系統(tǒng)，編寫(xiě)相應(yīng)的程序?？梢韵葘蓚€(gè)十六位的二進(jìn)制數(shù)的高八位和低八位分別存入不同的地址，然后先取出兩個(gè)數(shù)低八位進(jìn)行相加，送至OUT單元顯示，進(jìn)位進(jìn)行存儲(chǔ)；再進(jìn)行兩個(gè)數(shù)低八位相加，結(jié)果在數(shù)據(jù)總線(xiàn)出顯示。四、具體實(shí)現(xiàn)： 微程序設(shè)計(jì)流程圖： 微代碼$M 00 000001 ; NOP $M 01 006D42 ; PC-&g

7、t;AR,PC加1 $M 02 107073 ; MEM->IR, P<1> $M 11 006412 ; pc->ar,PC+ $M 12 183013 ; mem->ar $M 13 200401 ; mem->b $M 15 006416 ; alu->r0 加法 $M 16 103001 ; pc->ar,PC+ $M 17 183018 ; mem->ar $M 18 006419 ; mem->b $M 19 102005 ; alu->r0 減法 $M 1D 105141 ; mem->ar $M 2C 18

8、302D ; R0->MEM STA $M 2D 00642E ; m->ar $M 2E 10202F ; m->r0 LAD $M 2F 05B201 ; m->pc JMP PC+ $M 30 001417 ; R0->A 加法 $M 32 183001 ; R0->A 減法 $M 33 280401 ; pc->ar ,PC+ 置ro AR->R0 LAD $M 35 000035 ; STA:PC->AR,PC+,mem->ar,R0->MEM(AR) $M 36 183011 ; IN->R0 輸入IN $M

9、37 183015 ; R0->OUT 輸出OUT $M 38 00142C ; pc $M 3C 006D5D ; pc->ar JMP<2>利用修改后的指令系統(tǒng)編寫(xiě)一段程序，完成十六位二進(jìn)制數(shù)的加減法運(yùn)算。 以下的一段程序用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)的加法，其思想為高位和低位分別對(duì)應(yīng)相加，將低位的進(jìn)位給高位，減法同理。結(jié)果的低八位在OUT單元顯示，高八位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線(xiàn)顯示，最高位的進(jìn)位忽略。 $P 00 60 STA         

10、60;   存加數(shù)的低八位$P 01 60 STA             存被加數(shù)的低八位$P 02 60 STA             存加數(shù)的高八位$P 03 60 STA    &

11、#160;        存被加數(shù)的高八位 $P 04 70 LDA             取出加數(shù)的低八位存入R0中$P 05 00 ADD             兩個(gè)數(shù)低八位相加 $

12、P 06 30 OUT             兩個(gè)數(shù)低八位相加的結(jié)果在OUT單$P 07 70 LDA             取出加數(shù)的高八位存入R0中$P 08 00 ADD      

13、0;      兩個(gè)數(shù)的高八位相加$P 09 50 HLT             停機(jī) 五、調(diào)試運(yùn)行結(jié)果： 加法：   輸入的兩個(gè)數(shù)據(jù)分別為：       01010010,11111111（52FF）      0011001

14、0,00000001（3201）  輸出的結(jié)果為：       00000001,00000000（8500） 減法： 輸入的兩個(gè)數(shù)據(jù)分別為：        01010110,11111111（56FF）      00110010,00000001（3201）  輸出的結(jié)果為：       001111111,11111110（3FFE）  六、所遇問(wèn)題及解決方法：1. 在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，因?yàn)樽约旱膶?shí)驗(yàn)器材的問(wèn)題，一直都不能完成一個(gè)數(shù)與自身相加，之后也嘗試了很多次才調(diào)整過(guò)來(lái)，感覺(jué)連線(xiàn)的過(guò)程千萬(wàn)不能將線(xiàn)接錯(cuò)，否