CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目亥驗(yàn)?zāi)康陌豺?yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)原理CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間（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(xiě)相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。PC機(jī)一臺(tái)，TD-CMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套2015年11月7日本實(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）、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(xiě)入相應(yīng)的微指令后,具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一

2、般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后，程序就才有以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)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,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。LOADLDFC;T3CLK圖5-1-2程序計(jì)數(shù)器（PC）原理圖本模型機(jī)和前面微

3、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）：助記符機(jī)器指令碼說(shuō)明IN00100000INR0ADD00000000RO+ROTR0OUT00110000RO>OUTJVPaddr11100000*addrTPCHLT01010000停機(jī)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

4、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，其微指令格式如表5-1-1所示。圖5-1-3數(shù)據(jù)通路圖232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WKRDIOMS3-SOA字段段C卡段MA5-MA0A字段B字段C字段141312選擇000NOP0Io1LDA010LDBo111LDRO0保留101LOAD11roLDAR11iLDIR1J_10g選擇000NOP00iALU_B010RO_B011保留00保留101保由110PC_B111保留876選擇000NOP001P&

5、lt;1>010保留011保囹100保留101LDPC110保留1X1保留表5-1-1微指令格式系統(tǒng)涉及到的微程序流程見(jiàn)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<1>測(cè)試。指令譯碼原理見(jiàn)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<1>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（IR7IR2）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(xiě)，微程序流程圖上的單元地址為16進(jìn)制。PC-AR歸:一H3tP圖5-1-4簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖PC

6、->ARPCfiUlRO-A地址十六進(jìn)制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D4300000000011011010100001103107070000100000111000001110000040021050000000000100100000001010504B2010000010010110010000000011D1051110001000001010001010000013000110400000000000101000000010032183001000110000011000000000

7、00133280401001010000000010000000001350000350000000000000000001101013C006D5D000000000110110101011101當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后,按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的應(yīng)將每條微指令代碼化,?二進(jìn)制微代碼表?（表5-1-2即為將圖5-1-4的微程序流程圖表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)。地址內(nèi)#助圮符說(shuō)明0.)00000000100000;START:INR0從

8、儂單元讀入數(shù)據(jù)送R。uC'OOuOQl:'j1j1jL<O;ADDRO,ROR0和自身相加，結(jié)果送R00000001000110000;OUTR0R0的值送。二T單元顯示0000001111100000;JKPSTART跳轉(zhuǎn)至DOH地址00000.0000000000VtuGOOulul01010000；HLT停機(jī)1 .按圖5-1-5連接實(shí)驗(yàn)線路。2 .寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)程序，并進(jìn)行校驗(yàn)，分兩種方式，手動(dòng)寫(xiě)入和聯(lián)機(jī)寫(xiě)入。1)手動(dòng)寫(xiě)入和校驗(yàn)(1)手動(dòng)寫(xiě)入微程序?qū)r(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1谿為停止檔，KK3谿為編程'檔，KK4谿為控存檔，KK5谿為谿數(shù)檔。使用CON單元的SD

9、05SD00給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的低8位。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5谿為力口1'檔。IN單元給出中8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的中8位。IN單元給出高8位應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該單元的高8位。重復(fù)、四步，將表5-1-2的微代碼寫(xiě)入2816芯片中。(2)手動(dòng)校驗(yàn)微程序?qū)r(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1谿為停止檔，KK3谿為校驗(yàn)'檔，KK4谿為控存檔，KK5谿為谿數(shù)檔。使用CON單元的SD0

10、5SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M7M0顯示該單元的低8位。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5谿為力口1'檔。連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,MC單元的指數(shù)據(jù)指示燈M15M8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(xiě)入錯(cuò)誤，重新寫(xiě)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(xiě)入機(jī)器程序?qū)r(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1谿為停止檔，KK3谿為編程檔，KK4谿為主存檔，KK5谿為谿數(shù)檔。使用CON單元的SD07SD00給出地址，IN單元給出該單元應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，

11、連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)到該存儲(chǔ)器單元。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5谿為力口1'檔。IN單元給出下一地址（地址自動(dòng)加1）應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,將IN單元的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(kāi)關(guān)ST,即可完成對(duì)該單元的寫(xiě)入。亦可重復(fù)、兩步，將所有機(jī)器指令寫(xiě)入主存芯片中。（4）手動(dòng)校驗(yàn)機(jī)器程序?qū)r(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1谿為停止檔，KK3谿為校驗(yàn)檔，KK4谿為主存檔，KK5谿為谿數(shù)檔。使用CON單元的SD07SD00給出地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,CP

12、U內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK5谿為力口1'檔。連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,地址自動(dòng)加1,CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7D0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(kāi)關(guān)ST,地址自動(dòng)加1,CPU內(nèi)總線的指數(shù)據(jù)指示燈D7D0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(xiě)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(xiě)入錯(cuò)誤，重新寫(xiě)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(xiě)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(xiě)微程序和機(jī)器程序

13、，但是微程序和機(jī)器程序得以指定的格式寫(xiě)入到以TXT為后綴的文件中，微程序和機(jī)器程序的格式如下：機(jī)器指令格式說(shuō)明：SPXXXXTT匚機(jī)器指令代碼十六進(jìn)制地址1機(jī)器指令標(biāo)志微指令格式說(shuō)明：XXXXXXXXT微指令代碼十六進(jìn)制地址微指令標(biāo)志本次實(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:/dfd#*±“*Jl-*,*U*T*/CJFD與簡(jiǎn)單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)指令文件/ByTangDlxCO.工HD/*占山0IT：#*/StartOfMainM&mc-ryData*、*、0020;START:INRJ從工M單元讀入數(shù)婚送RU0100fADDP.0,&

14、;0旦©和自導(dǎo)相加，魚(yú)吉果送直。二F230;OUTRORC的值送OOT單元顯示OSE0;.JMPSTART跳轉(zhuǎn)至。比地址00;WE95so;HIT停機(jī)/4*EndOfMaint*I*moryData*/J4A-3tartOfMicroCont-rollerDataA4*/二兄00000001;NOPSMOuCD43;p二一fjm,pctlDL10707'j，運(yùn)002405;RO->B*05C4B201;A1HB->ROID105141力300140432183001；IN->RU33二;RO->OUT35：:；;NOP3C006D5D;PC-JPC加1

15、/EndOfKicroControllerData'3選擇聯(lián)機(jī)軟件的？【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【裝載】？功能，在打開(kāi)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(xiě)入操作失敗，應(yīng)重新寫(xiě)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)榫庉嬁颍斎?位數(shù)據(jù)并回車(chē)，編輯框消失，并以紅色顯示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。3.運(yùn)行程序方法一：本機(jī)

16、運(yùn)行將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK1、KK3谿為運(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(kāi)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(kāi)關(guān)KK2谿為單步檔，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

17、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(kāi)關(guān)KK1和KK3谿為運(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(kāi)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。時(shí)序與操作白單角r-O-fl.r.-j|TIFI1-0毗中元UI.MI：l)t'爾RD啊v.rnI)-OEh"Io-6-

18、O-陽(yáng)：11岫-O“EH-iiirxQ-opI、Q-o(X伸元LIRR獷展單元CMFl0-O-訓(xùn)Ai：'YI7XFTXII：xrc流刷總飛o17A7o-n-oain口口一,ri7oit.rn1:I)pfUI不;口：叩IT內(nèi)爐tor.2地kL總出圖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SD27SD20給出指令I(lǐng)N、ADD、OUT、TMP、HLT的數(shù)據(jù)00100000、00000000、00110000、11100000、01010000,連續(xù)按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開(kāi)關(guān)ST,觀察電腦中的數(shù)據(jù)通路圖記錄數(shù)據(jù)。(1)當(dāng)CON單元輸入指令代碼00100000時(shí)，數(shù)據(jù)通路圖中IN中的數(shù)據(jù)傳送到R0中，R0中顯示R0=11,實(shí)現(xiàn)了從IN單元讀入數(shù)據(jù)傳送到R0中過(guò)程。(2)當(dāng)CON單元輸入指令代碼00000000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)自加后