组成原理课程设计(复杂模型机设计实验)

实用文案标准复杂模型机设计实验一、实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。二、实验设备TDN－CM＋计算机组成原理教学实验系统。三、数据格式及指令系统1.数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0符号尾数2.指令格式模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。1)算术逻辑指令设计7条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODErsrd其中，OP－CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：rs或rd选定的寄存器000110R0R1R27条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2)访存指令及转移指令实用文案标准模型机设计2条访存指令――存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令――无条件转移（JMP）和结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7D6D5D4D3D2D1D000MOP－CODErdD其中，OP－CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011E＝DE＝（D）E＝（RI）＋DE＝（PC）＋D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。3)I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODEaddrrd其中，addr＝01时，选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为输入设备，addr＝10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的数码块作为输出设备。4)停机指令指令格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0OP－CODE0000HALT指令用于实现停机操作。3.指令系统本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条，表列出了各条指令的实用文案标准格式、汇编符号、指令功能。表1助记符号指令格式功能CLRrdMOVrs，rdADCrs，rdSBCrs，rdINCrdANDrs，rdCOMrdRRCrs，rdRLCrs，rd1000rsrd1001rsrd1010rsrd1011rd1100rsrd1101rd1110rsrd1111rsrd011100rd0→rdrs→rdrs+rd+cy→rdrs-rd-cy→rdrd+1→rdrs∧rd→rdrd→rdcyrsrs→rdcyrsrs←rdLDAM,D,rdSTAM,D,rdJMPM,DBZCM,D00M01rd00M10rdD00M11rdD00M00rdDE→rsrd→EE→PC当CY＝1或Z＝1，E→PC实用文案标准INaddr,rdOUTaddr,rd010001rd010101rdaddr→rdrd→addrHALT01000000停机四、总体设计本模型机的数据通路框图如图所示。DR1(74273)DR2(74273)ALU-BR0(74374)AR(74273)PC（74161）MEM（6116）OUTPUT时序微控器IR（74273）INPUTALU(74181)CELED-BW/RCESW-BCECEW/RLDART3PC-BLOADLDPCT4W/RCS0CS1CS2LDIRT3T4LDR0R0-BLDDR1T4T4LDDR2CNMS3S2S1S0BUS地址总线数据总线CPUR1(74374)T4LDR1R1-BR2(74374)T4LDR2R2-B图1：数据通路图根据机器指令系统的要求，设计微程序流程图及确定微地址如下：实用文案标准PCARPC+1RAM-BUSBUS-IRP(1)0102CLR2720ALU=0-BUSBUS-rd01STOP0126HLTSW-BUSBUS-rd0124INPC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1PC-BUSBUS-DR24623DR1+DR2-BUS-ARDR1+DR2-BUS-DR14750514011(相对)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1(R1)-DR21522DR1+DR2-BUS-ARDR1+DR2-BUS-DR11617454010(变址)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-DR10521RAM-BUSBUS-AR06074001(间接)PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1RAM-BUSBUS-AR0320044000(直接)P(2)RAM-BUSBUS-rdLAD4001rd-BUSBUS-RAMSTA4101DR1-BUSBUS-PCJMP4201LAD43P(3)DR1-BUSBUS-PC01Y016444Nrd-BUS0125OUTrs-rd0130MOVrs-BUSBUS-DR1rd-BUSBUS-DR2DR1+DR2-BUS-rd52315301ADCrs-BUSBUS-DR2RAM-BUSBUS-DR1DR1-DR2-BUS-DR1带进位5432DR1-rd555601SUCrd-BUSBUS-DR1DR1+1-BUS-rd6233INC01rs-BUSBUS-DR1rd-BUSBUS-DR2DR1+DR2-BUS-rd633465AND01rd-BUSBUS-DR1DR1-BUSBUS-rd6635COM01R0-299带进位右环移6736RRC70R0-299带进位左环移7137RLC72299-R0299-R00101P(4)0020PC-ARPC+1RAM-BUSBUS-DR1DR1-LEDPC-ARPC+1(SW)-BUSBUS-DR1DR1-RAM2301202227212430(SWB,SWA)KWE(01)KWD(00)RP(11)控制台运行微程序实用文案标准图2：微程序流程图根据流程图，确定如下微程序：微程序：$M00018108$M2205DB81$M0101ED82$M230180E4$M0200C050$M24018001$M0300A004$M2595AAA0$M0400E0A0$M2600A027$M0500E006$M2701BC28$M0600A007$M2895EA29$M0700E0A0$M2995AAA0$M0801ED8A$M2A01B42B$M0901ED8C$M2B959B41$M0A00A03B$M2C01A42D$M0B018001$M2D65AB6E$M0C00203C$M2E0D9A01$M0D00A00E$M2F01AA30$M0E01B60F$M300D8171$M0F95EA25$M31959B41$M1001ED83$M32019A01$M1101ED85$M3301B435$M1201ED8D$M3405DB81$M1301EDA6$M35B99B41$M14001001$M360D9A01$M15030401$M37298838$M16018016$M38019801$M173D9A01$M3919883A$M18019201$M3A019801实用文案标准$M1901A22A$M3B070A08$M1A01B22C$M3C068A09$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401验证程序：助记符机器码IN01,R0$P0044IN01,R2$P0146SBCR2,R0$P02A8MOVR0,R1$P0381RLCR1,R1$P04F5OUTR1,R1$P0559HALT$P0660指令功能：在实验板的数据开关手动输入一个数存到R0寄存器里，在输入另一个数到R2寄存器里，然后用R2-R0存到R0寄存器里，接着把R0里的数转存到R1寄存器，然后再把R1的数左移一位存到R1，接着在数码管显示输出当前R1寄存器里的数，最后停止。五、实验步骤1.按图连接实验线路实用文案标准2.写入程序1)手动写入A.按如下步骤讲微代码写入微控器中的存储器2816中：①将编程开关置为PROM（编程）状态。②将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。③用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。④在MK24－MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。⑤启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816的相应地址对应的单元中。⑥重复①－⑤步骤，将所有的微代码写入2816中。B.按如下步骤校验微代码①将编程开关置为READ（校验）状态。②将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。③用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。④启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。观察显示灯MD24－MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行③）即可。C.按如下步骤使用KWE微程序进行机器指令程序的装入。①使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”，并按动一次START，微地址显示灯显示“010001”。③再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令。再按动两次START键后，即完成该条指令的写入，并且微地址显示灯显示“010001”。（注：由KWE的流程图可知，该流程每执行一次，将向PC寄存器所指向的存储器单元中写入一个字节的数据，并且将PC加1。）④如果还需要向存储器中输入数据，则需重复重新执行③。D.按如下步骤使用KRD微程序进行机器指令程序的检查。①使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清实用文案标准零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“00”，并按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010000”。③再按动一次START，微地址灯显示“010010”，第三次按动STRAT，微地址灯显示为“010111”，再按动STRAT后此时输出单元的数码管显示为PC寄存器所指单元的内容。（注：由KRD的流程图可知，该流程每执行一次，将显示PC寄存器所指向的存储器单元中一个字节的数据，并且将PC加1。）④如果还需要检查存储器中其他单元的数据，则需重复重新执行③。2)联机读/写程序将微代码写入文本文件中，通过联机软件载入实验系统。3.运行程序1)本机运行A.单步运行程序①使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零。③单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否与流程一致。④当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。B.连续运行程序①使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“EXEC”状态，STOP为“RUN”状态。②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清零。③按动START键，系统将连续运行程序，直至将STOP拨至“STOP”状态。④当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。2)联机运行联机运行程序时，进入