組成原理實驗五教材

計算機組成原理實驗課程

實驗五指令系統(tǒng)實驗實驗目的：1.讀出系統(tǒng)已有的指令，并理解其含義。2.設計并實現(xiàn)一條新指令。教學目標1.了解指令結(jié)構(gòu)、PC寄存器的功能和指令系統(tǒng)的基本工作原理。2.學習設計指令的方法。一.背景知識（1）1.微程序和機器指令：

通過前三次實驗知道：一個計算機系統(tǒng)的硬件制作好以后，它的最基本操作就確定了，即它的微指令系統(tǒng)就確定了。必須有序地使用一系列微指令才能完成一個實際需要的操作。在這些“需要”的操作中，有一部分是使用頻度很高，而且數(shù)條微指令即可完成的簡單操作，為方便使用，系統(tǒng)就把這部分簡單操作的微指令序列固定下來，存放在一個快速存儲器中，這些微指令序列稱為“微程序”，這個快速存儲器就是微程序存儲器。顯然，一條微指令是最簡單的微程序。于是，用戶在使用計算機時就以“微程序”為單位來排序簡單操作，達到解決實際復雜操作的目的。采用這種“硬件使用方式”的計算機系統(tǒng)就叫微程序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，調(diào)用微程序的方式就稱為“機器指令”或“指令”。

2.實驗箱的機器指令系統(tǒng)：實驗箱每條（機器）指令都為4條微指令長度（等長結(jié)構(gòu)），當實際需要的微指令數(shù)量不足4條時用無效指令FFFFFFH補齊。最后一條有效微指令一定是PC輸出微指令，以執(zhí)行下一條指令。所有指令的微程序頭尾相接地存放在微程序存儲器μEM中。于是，每個微程序的起始地址（也叫入口地址）的最后兩位一定為00。因此，上次課介紹的圖2中上部161的P0和P1接地，IBUS不需要0號和1號線。同時，這個地址就自然的成為這條（機器）指令的二進制數(shù)表達形式，它就是指導書87頁表中的“機器碼1”。這個機器碼將按用戶程序的編寫順序存放在“指令存儲器”EM中，等待PC寄存器的調(diào)用。一.背景知識（2）P0Q0P1Q1P2Q2P3Q3CEPCETCLKPETCMRIBUS2IBUS3CkIRENRSTVccP0Q0P1Q1P2Q2P3Q3CEPCETCLKPETCMRIBUS6IBUS7IBUS4IBUS5161161圖2一.背景知識（3）3.實驗箱機器指令系統(tǒng)的布線：a)EM布線和IBUS信號的生成：RAM6116送出的數(shù)據(jù)總上IBUS去尋址μM微程序存儲器。低兩位去尋址寄存器R0～R3，形成101頁表中的“機器碼1的最后2位”。A0D0~D1A7A8D2~~A10D7GWEA0B0~B1A2A3B2~~A5B7A6A7EDIRA0B0~~A7B7DIREVcc2452456116ABUS0~7

EMRDEMWR

CK

EMENDBUS0~7IBUS2~7

SB

SA

ICOE圖1.EM原理圖ICOE=0時送出中斷類型碼B8H當EMEN＝0時數(shù)據(jù)總線與RAM6116的數(shù)據(jù)口接通，EMRD=0時讀出數(shù)據(jù)；EMWR=0時寫入數(shù)據(jù)。二者不能同時為0。ABUS的數(shù)據(jù)來自PC（取指令）或MAR（讀寫數(shù)據(jù)）當來自MAR時，EMEN＝0，則數(shù)據(jù)通過上邊的245送上數(shù)據(jù)總線，這時系統(tǒng)使μPC的IREN＝1，所以IBUS上的值不影響μPC。一.背景知識（4）3.實驗箱機器指令系統(tǒng)的布線：b)PC布線和ABUS信號的生成：PCOE=0時，CK上升沿使PC寄存器的值加1，并立即通過下部的245送上地址總線(ABUS)，去尋址指令寄存器EM。這是PC的主功能。LDPC=0時，CK上升沿將數(shù)據(jù)總線(DBUS)的值打入PC。PCOE-D=0時，PC值立刻送上數(shù)據(jù)總線。可以通過打入操作再進入PC。RST＝0時，使PC清0。

A0B0~~A3B3A4B4~~A7B7EDIR245DBUS0~3ABUS0~7P0Q0~~P3Q3CEPCETCLKPETCMRP0Q0~~P3Q3CEPCETCLKPETCMRA0B0~~A3B7A4~A7EDIR245VccDBUS4~7

CK

LDPC

RST

PCOE-D

PCOE圖2.PC原理圖161161一.背景知識（5）4.實驗箱機器指令系統(tǒng)的工作原理：一條指令的執(zhí)行是從PC開始，PC通過地址總線(ABUS)發(fā)送一個指令在程序存儲器的地址到EM，EM把ABUS選定的存儲單元的值(指令的二進制數(shù)形式)的高6位通過IBUS送μPC，低兩位送SA和SB，μPC收到的6位值就是這條指令的微程序人口地址的高6位，μPC據(jù)此生成μEM的地址，并通過μPC

總線送到μEM，μEM把μPC值選定單元的24位值送上控制總線CBUS，完成第一條微指令的功能；同時μPC

加1，輸出這條指令的第二條微指令，直到執(zhí)行一條“取指令”微指令，則PC加1。開始執(zhí)行下一條指令。一.背景知識（6）5.實驗箱PC的打入原理：一條指令執(zhí)行完畢PC會自動加1，系統(tǒng)順序執(zhí)行下一條指令，但系統(tǒng)要進入一個新的指令序列時，如跳轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子程序等，必須給PC打入新的起始值——新指令序列的入口地址。實驗箱用圖3的電路實現(xiàn)把數(shù)據(jù)總線的值(目標地址)打入PC的操作，以更新PC值。圖中151是8選1輸出器，選擇功能如表1。表1151選擇表CBAELPIR3

IR2ZLDPC0000010100111XXCyZ001I0I1ZI2I3ZI4~I7AEBC

Z

Cy

LDPCVcc

IR3

IR2ELP

151

圖3.PC打入電路由表1可知：當ELP＝1時，LDPC＝1，無效，PC的值不會被修改。當ELP＝0時，PC分三種情況被修改：IR3、IR2＝00，Cy(進位標志)有效則修改PC；IR3、IR2＝01，Z(0標志)有效則修改PC；IR3、IR2＝10和11，無條件修改PC。圖4.

程序存儲器模式的操作方法一.背景知識（7）6.程序存儲器模式下的操作：在這個模式下可以觀察和修改程序存儲器的內(nèi)容，實現(xiàn)把一個指令放在指定地址的存儲單元中，然后用PC輸出這個地址，使這個指令運行。操作方法如圖4所示。二.實驗任務

1.考察機器指令64的各微指令信號，驗證該指令的功能。

(假設R0=77H,A=11H,77地址單元存放56H數(shù)據(jù),64指令的下一條指令為E8)2.修改機器指令E8，使其完成“輸出A與W的結(jié)果左移一位后的值送A和OUT的操作”。（注：1和2連起來做，2沿用1的數(shù)據(jù)）

三.

實驗過程舉例

實驗任務：查看指令F8的各微指令的編碼，推斷F8的功能，然后將其改為：“A＋IN＋Cy”后右移一位的值送OUT。

1、查看指令F8的各微指令的編碼由于指令(最低2位置0)是其微程序的入口地址,所以在μEM中,在Adr字段送入F8,按NX鍵,可查看其對應的微指令?？梢钥吹街噶頕8對應的各微指令碼為：CBFFFF、FFFFFF、FFFFFF和FFFFFF。由控制總線功能對應表可知：FFFFFF微指令是無操作，CBFFFF是EMRD、PCOE和IREN三條控制線有效。由圖2知：PCOE＝0則PC＋1，并立即送上ABUS，即執(zhí)行EM的下一個單元中的機器指令——讀指令操作。而EMRD＝0是讀出EM的數(shù)據(jù)，IREN＝0是把讀出的EM數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計數(shù)器μPC。三者同時有效正是讀出下一條指令并立即執(zhí)行。

提示：執(zhí)行完“取址”（CBFFFFF）后，將執(zhí)行下一條指令。所以后續(xù)的三條微指令將不被執(zhí)行。

2.分解任務：由于運算器只有A＋W＋Cy的操作，所以第一步要把IN的內(nèi)容送W；第二步完成A＋W＋Cy；并把“右移一位的值送OUT”；第三步完成取指令。3.編制微指令：由“控制總線功能對應表”，

Ci： C23 C22 C21 C20 C19C18 C17C16功能：XRDEMWREMRD PCOEEMEN IREN EINTELP C15 C14 C13C12 C11C10C9 C8 MARENMAROEOUTENSTENRRDRWRCN FEN C7 C6 C5 C4 C3 C2C1 C0 X2 X1 X0 WENAENS2S1 S0可確定這四步基本操作的微指令碼為：①FFFF0F②FFDEBC③CBFFFF④FFFFFF

4.操作:

A.在程序存儲器EM模式下,將F8指令送入某個地址單元(如A0單元),則在Adr下打入A0,DB下打入F8。

B.在微程序存儲器μEM模式下，輸入此指令對應的四條微指令，即在Adr下打入F8,MH、MM、ML下打入FFFF0F；按NX鍵進入F9地址，打入FFDEBC，F(xiàn)A為CBFFFF，F(xiàn)B為FFFFFF。

C.在內(nèi)部寄存器μpc模式下賦值、執(zhí)行給μpc打入值(如00（任意取指指令）)，PC（A0），A（11），WIN：22H（K16--K23），第一步取指(STEP)取指令F8

第二步實現(xiàn)功能（STEP）IN送W