計算機組成原理-指擴展實驗解析

1、計算機組成原理A課程設計性實驗報告實驗題目開課實驗室：計算機組成原理實驗室年月日指令擴展實驗、實驗目的深入了解教學計算機微程序控制器的組成和設計技術，包括Am2910器件的功能與具體用法，教學計算機的總體組成和部件之間的連接方法，總之應該深入理解控制器部件的組成、設計、控制與使用等諸項知識。二、設備與環(huán)境TEC-XP+教學機，微機（裝有WindowsXP、ISPLEVER、ispVMSystem等軟件）。三、實驗內容在現有的基本指令系統上，擴展2條指令，分別是：指令一：NXORDR,SR，其功能是（DRSR）DR。指令二：SWRMDR,SR，其功能是DR與SR的值互換，實現寄存器與內存單元（通

2、過間接尋址方式）之間的數據傳送。四、實驗步驟1、CPU模型鱷瞬DBUS齢矽IBUS斑愆魏R3570610076610773040cacheDRPSW器AR.Cn/時序姓器4操作控制器i譯糜IRC1.C1VC2CnyQP碼C3通往1號口地止碼第7頁2、微程序控制器組成原理框圖地址譯碼控制存儲器器IRCP微缺怖器地時移邏輯II1呼段控制字段丿微號3、機器指令與微指令關系微命令iiiLik1微命令寄存器PC：存放下一條機器指令的地址（向指令存儲器提供指令地址）。1£控制存儲器地昨碼器717微地址寄存器0Pr指令寄存器IR指令存儲器：（存放所有機器指令），經地址譯碼，選中相應存儲單元，取出相

3、應機器指令，送入指令寄存器IR。指令寄存器IR：存放正在執(zhí)行的機器指令。機器指令包含兩個字段：操作碼（OP）、地址碼。由操作碼（OP）映射得到微地址（譯碼過程），即機器指令所對應的微程序入口地址，存入微地址寄存器。控制存儲器存放所有的微程序，經地址譯碼讀出一條微指指令存儲器令。由控制存儲器讀出的一條微指令存入微指令寄存器。程序計數器PC+14、教學機TEC-XP的控制器提供的控制信號（微指令格式） B0-B5字段：DC1:CPU內部總線數據來源選擇控制，詳見表1-1；DC2:專用寄存器接收控制，詳見表1-2。B39-B32B31-B2Sd3-CT0SCC3-0/ITOBEQ/JE12-10B2

4、5一B20B19一B12TB-I615-13B口A口B11一B6B5一B0SSTS3!SCIDC2DC1B47B40微下地址B口：0000表示不使用寄存器, B6-B11字段：SSHSCI:最低進位輸入、移位輸入控制信號，詳見表2-1；SST：狀態(tài)寄存器控制信號，詳見表2-2。 B12-B19字段：A口：0000表示不使用寄存器，1000表示取IR中的SR，0100表示R4（SP）,0101表示R5（PC）；1000表示取IR中的DR，0100表示R4（SP）,0101表示R5(PC)。表1-1DC1-CPU內部總線數據來源選擇表1-2DC2-專用寄存器接收控制DC1編碼譯碼信號操作說明000

5、/SWTOIB送開關內容到內部總線001/RTOIB送ALU輸出到內部總線010/ETOIB送IR低位字內容到內部總線011/FTOIB送程序狀態(tài)字到內部總線100/16位機不用101/16位機不用110/INTV送中斷向量到內部總線111NC無操作DC1編碼譯碼信號操作說明000NC無操作001/GIR指令寄存器接收010/16位機不用011/GAR地址寄存器接收100/INTR恢復中斷優(yōu)先級101/INTN接收中斷優(yōu)先級110/EI用于開中斷指令111/DI用于關中斷指令表2-1狀態(tài)寄存器表2-2最低進位輸入、移位輸入控制信號SSTCZVS000CZVS001CyZROVF15010內部總

6、線0110ZVS1001ZVS101RAM0ZVS110RAM15ZVS111Q0ZVSMRW編碼功能000寫內存001讀內存010寫串口011讀串口1XX無內存和串口的讀寫操作 B20-B28字段：15-13,18-16,12-10,為Am2901的9位控制碼，詳見下表3-1。I8-I6:運算結果處理I5-I3:運算功能I2-I0:數據來源編碼通用寄存器Q寄存器Y的輸出RS000FQFR+SAQ001FS-RAB010FBAR-S0Q011FBFRVS0B100F/2BQ/2QFRAS0A101F/2BF/RASDA110F*2BQ*2QFRVSDQ111F*2BF/(RVS)D0 B29-

7、B31字段：/MIOREQ/WE對內存和I/O接口讀寫控制:/MIO（0：有內存或串口的讀寫，1：無）REQ（0：讀寫內存，1：讀寫串行口）/WE（0：寫操作，1：讀操作） B32-B39字段：順序控制字段，CI3-CI0,SCC3-0=00100000(20H)時，表示MAPROM映射入口地址；CI3-CI0,SCC3-0=11100000(E0H)時，表示順序執(zhí)行；當CI3-CI0=0011(3H)時SCC3-0字段有效，此時SCC編碼及功能詳見下表4-1。SCC編碼（CI3-CI0=0011時有效）功能(下面條件滿足時，使/CC=0)0000必轉移0010有中斷，INT=0時轉移0100

8、C、Z測試，JRC、JRNC、JRZ、JRNZ指令微指令轉移條件不成立時，轉移0101S測試，JRS、JRNS指令微指令轉移條件不成立時，轉移0110IR=0時(IN)，轉移100111IR'=1時（PUSH、POP），轉移8 B40-B47字段：微下地址字段5、擴展的2條機器指令的格式及功能擴展的2條機器指令的格式、功能、尋址方式、操作碼編碼、微程序步數、微程序入口地址如下表所示：序號格式功能尋址方式編碼微程序步數微程序入口地址1NXORDR,SRDR與SR的值異或送DR奇存器直接尋址22H1802SWRMDR,SRDR與SR的值互換DR為寄存器直接尋址，SR為寄存器間接尋址E9H4

9、8A6、指令所對應的微程序每條機器指令對應的微程序、以及每步(微指令)的功能及各字段值的意義:(1) 如下表所示，為兩條指令所對應的微程序：序號指令入口地址下址CI3-0SCC3-0MRWI2-0I8-6I5-3B口A口SSTSSHSCIDC2DC11NXORDR,SR8030304,13,7&81,00,02SWRMDR，SR8A00E04,30,0&00,00,000E04,41,00,80,03,000E01,73,0&00,00,030300,21,00,00,00,1(2)擴展的兩條機器指令的功能及各字段的意義如下:指令一：NXORDR,SR機器指令NXOR共

10、包括一條微指令，該微指令的功能及各字段值的意義如下： 入口地址：表示該機器指令對應的微程序入口地址為80H； 下址：表示下一條機器指令的微程序入口地址為30H，并且為結束程序指令； CI3-0/SCC3-0:CI3-0=0011,表示進行條件微轉移；SCC3-0=0000表示必轉移，即執(zhí)行完該條微指令后必須轉移到下一條機器指令所對應的地址； MRW/I2-0:MRW=100，表示無內存和串口的讀寫操作；I2-0=001，表示數據來源于A,B兩個寄存器； I8-I6/I5-I3：I8-I6=011，I5-I3=111，I8-I6表示將運算結果存入B寄存器；I5-I3表示進行異或運算； B口/A口

11、：B=A=1000表示A口和B口的地址均為1000，該指令使用了A和B兩個寄存器； SST/SSHSCI:該指令中SST為1,轉換為二進制位001，SST的功能為設置狀態(tài)寄存器的值，表示為CZVS為C(Cy)Z(ZR)V(OV)S(F15)；SSHSCI為0,其功能是設置進位輸入，轉換為二進制為000，表示Cin=0； DC2/DC1：該指令中DC1和DC2分別為0,0，轉換為二進制為000,000，其功能為DC1送開關內容到內部總線，DC2不進行操作。指令二：SWRMDR,SR機器指令SWRM包括四條微指令，以下是四條微指令執(zhí)行過程概述： 機器指令入口地址為8A，下址為00，微指令順序執(zhí)行，

12、無內存操作，數據來源為011，運算結果送入Q寄存器，由Y口輸出，進行R與S的加法操作，B口為IR的DR,不使用A口數據，狀態(tài)寄存器的值不變，進位輸入為0,專用寄存器無操作，送開關內容到內部總線； 微指令的入口地址為8B,下址為00,微指令順序執(zhí)行，無內存操作，數據來源為100,運算結果送入Y輸出，進行R與S的加法運算，不使用B口數據，A口為IR的SR,狀態(tài)寄存器的值不變，進位輸入為0,地址寄存器接收數據，送開關內容到內部總線； 微指令的入口地址為8C,下址為00,微指令順序執(zhí)行，對內存進行讀操作，運算器獲得數據，運算結果送入B口，并由Y輸出，進行R與S的或運算，B口為IR的DR,不使用A口數據

13、，狀態(tài)寄存器的值不變，進位輸入為0,專用寄存器無操作，送開關內容到內部總線； 微指令的入口地址為8D,下址為30,執(zhí)行完后必轉，對內存進行寫操作，數據來源為010,運算結果送入Y輸出，進行R與S的加法運算，不使用A口與B口數據，狀態(tài)寄存器的值不變，進位輸入為0,專用寄存器無操作，送ALU輸出到內部總線。7、ABEL語言源程序編輯以及JED文件生成(1) 添加指令操作碼NXOR=(IR=0,0,1,0,0,0,1,0);SWRM=(IR=1,1,1,0,1,0,0,1);(2) 添加入口地址添加NXOR指令的入口地址：MA80=(Y=1,0,0,0,0,0,0,0);添加SWRM指令的入口地址：

14、MA8A=(Y=1,0,0,0,1,0,1,0);MA8B=(Y=1,0,0,0,1,0,1,1);MA8C=(Y=1,0,0,0,1,1,0,0);MA8D=(Y=1,0,0,0,1,1,0,1);(3) 入口地址定義對NXOR指令做如下修改：D7=!C_M&(!_MAP&(NXOR#)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8;對SWRM指令做如下修改：D1=!C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR1&!_PL)&!Bit8;D3=!C_M&(!_MAP&(SWRM#)#NXTADDR3&

15、!_PL)&!Bit8;D7=!C_M&(!_MAP&(NXOR#SWRM#)#NXTADDR7&!_PL)&!Bit8;(4) 下址定義對NXOR指令做如下修改：NXTADDR5:=!C_M&(MA80#)&!Bit8;NXTADDR4:=!C_M&(MA80#)&!Bit8;對SWRM指令做如下修改：NXTADDR5:=!C_M&(MA8D#)&!Bit8;NXTADDR4:=!C_M&(MA8D#)&!Bit8;(5) 條件轉移字段定義對NXOR指令做如下修改：CI0:=!C_M&am

16、p;(MA80#)&NRST&!Bit8;對SWRM指令做如下修改：CI3:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI2:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI1:=!C_M&(MA8A#MA8B#MA8C#)&NRST&!Bit8;CI0:=!C_M&(MA8D#)&NRST&!Bit8;(6) MRW定義對NXOR指令做如下修改：!_MIO00:=!(MA80#);對SWRM指令做如下修改：華北科技學院計算機學院

17、設計性實驗報告!_MI000:=!(MA8A#MA8B#);_WEOO:=(MA8C#);(7) 12-10,I8-I6,15-13定義I200:=(MA8B#MA8C#);I100:=(MA8A#MA8C#MA8D#);!I000:=!(MA8A#MA8C#);I700:=(MA8C#);!I600:=!(MA8B#MA8C#MA8D#MA80#);I500:=(MA80#);I400:=(MA80#);I300:=(MA80#);(8) B口、A口定義B30=(MA80#MA8A#MA8C#);A30=(MA8B#MA80#);(9) SST/SSHSCI定義SST000:=(MA80#)

18、;(10) DC2DC1定義DC2_100:=(MA8B#);DC2_000:=(MA8B#);將源程序按如上所述修改完畢后，雙擊lc4256.syn，啟動ispLEVER軟件，之后雙擊m256c.abl文件，再雙擊CompileLogic進行編譯，最后雙擊JEDECFile,生成.jed文件。8、MACH編程將JED文件下載到MACH器件的過程：(1) 接好教學機上的在線MACH編程電纜，將教學機電源打開；(2) 啟動ispVMSystem軟件，通過主界面的SCAN按鈕找到在線編程器件；(3) 雙擊找到的編程器件，雙擊Browse按鈕選擇已經編譯好的jed文件，選擇OK按鈕;(4) 重新回到

19、主界面，點擊GO命令進行編程。五、編程驗證及結果分析1、NXORDR,SR機器指令驗證結果：送R1寄存器0001，送R2寄存器0001,R1與R2異或結果送R1,機器指令NXOR對應的機器碼為2212，其中22為操作碼，1-表示目的寄存器為R1,2-表示源寄存器為R2,由于沒有修改監(jiān)控程序，所以通過直接修改內存單元值，完成輸入機器指令，驗證結果R1=FFFF。2、SWRMDR,SR機器指令驗證結果：送R1寄存器0001，R2寄存器2040，表示內存單元地址，2040的內存單元值為0007,機器指令SWRM對應的操作碼為E9,地址碼分別為1、2,表示目的寄存器使用R1,源寄存器使用R2,源操作數為寄存器間接尋址，實現內存單元與寄存器之間的數據交換，在沒有修改監(jiān)控程序的情況下，為了執(zhí)行擴展的機器指令，通過E命令在內存單元2004處輸入機器指令SWRM對應的機器碼E912,最后結果R1=0007,內存單元2040的值為0001。六、實驗體會通過本次指令擴展實驗，認識到了，CPU不是直接執(zhí)行由匯編語言匯編成的機器指令，而是執(zhí)行微指令。即一條機器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實現的，這個微指令序列就是微程序，也就是說往往一條機器指令對應一個微程序。對于CPU來說，其主要完成4個基本功能：指令控