模型机实验报告

哈尔滨工程大学实验报告实验名称：复杂模型机设计与实现班级：学号：姓名：实验时间：成绩：指导教师：程旭辉附小晶实验室名称：计算机专业实验中心一、实验名称：复杂模型机的设计与实现二、实验目的：1．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。2．设计指令系统。3．编写简单程序，在所设计的复杂模型计算机上调试运行。三、实验设备：GW-48CPP系列计算机组成原理实验系统。四、实验原理：1．数据格式模型机采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，其格式如下：76543210符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤1。2．指令格式所设计的指令分为四大类共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问、转移指令和停机指令。（1）算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：76543210OP-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000110R0R1R2（2）访问指令及转移指令访问指令有2条，即存数（STA）、取数（LDA）；2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：7654321000MOP-CODErdD其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（用于LDA、STA指令）。D为位移量（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变址寻址相对寻址在本模型机中规定变址寄存器RI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：76543210OP-CODEaddrrd其中，addr=01时选中“INPUTDEVICE”中的键盘输入设备，addr=10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的LCD点阵液晶屏作为输出设备。（4）停机指令指令格式如下：76543210OP-CODE00003．指令系统共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入/输出指令2条，其他指令1条。各条指令的格式、汇编符号、功能如表7-1所示。助记符号指令格式功能CLRrdMOVrs，rdADCrs，rdSBCrs，rdINCrdANDrs，rdCOMrdRRCrs，rdRLCrs，rd011100rd0→rd1000rsrdrs→rd1001rsrdrs+rd+cy→rd1010rsrdrs–rd–cy→rd1011rdrd+1→rd1100rdrs∧rd→rd1101rdrd→rd1110rd1111rdLDAM，D，rdSTAM，D，rdJMPM，DBZCM，D00M00rdDE→rs00M01rdDrd→E00M10rdDE→PC00M11rdD当CY=1或Z=1时，E→PCINaddr，rd010001rdaddr→rdOUTaddr，rd010110rdrd→addrHALT01100000停机本模型机的数据通路框图如图7-1。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图7-2。图7-2微程序流程图五、实验内容：按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。微代码定义如表7-1所示。242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0微程序六、实验框图设计：模型机设计主要是包括：控制器、存储器、运算器、输入、输出。主要的设计是SE-5是根据FC,FZ,T4,P[4..1],SWA,SWB,I[7..2]来控制输出的SE[1..6]，控制地址的跳转。当SE输出0时Q输出1，当SE输出1时，Q输出D；$M00018108$M0101ed82$M0200c050$M0300a004$M0400e0a0$M0500e006$M0600a007$M0700e0a0$M0800ed8a$M0900ed8c$M0A00a030$M0B008001$M0C00202f$M0D00a00e$M0E01b60f$M0F95ea25$M1000ed83$M1100ed85$M1200ed8d$M1300eda6$M14001001$M15030401$M16018016$M173d9a01$M18019201$M1901a22a$M1A03b22c$M1B01a432$M1C01a233$M1D01a426$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21038401$M2205db81$M230180e4$M24018001$M2595aaa0$M2600a027$M2701bc28$M2895ea29$M2995aaa0$M2A01b42b$M2B959b41$M2C01a42d$M2D65ab6e$M2E059a01$M2F078a09$M30050a08$M31019801$M32059a01$M3301b435$M3405db81$M35b99a41$M360d9a01$M37298978$M38019801$M39198979$M3A019801$M3B070a08$M3C062009$M3D000000$M3E000000$M3F000000SE-5：（SE6-1）：在波形图中实现跳转的时候，会出现如图：刚开始对此变化不理解，自习观察SE6-1时，SE[6..1]作为控制端，SE为1时Q输出D，SE为0时Q输出1，达到跳转的功能，但是还隐含一个细节是：在SE有0的时候，SE不用T2的时钟触发，地址会直接会发生跳转，所以会出现如图微地址由20直接跳到31。1和3：移位寄存器：SHEFT和控制移位器的进位：说明：移位寄存器的M位有M[20]来控制，S[1..0]由M[22..21]来控制，控制进位由SHE_C0来控制，假设上次的移位器有进位，那么上次的SHEFT_CN输出1，在控制移位器进位的器件上，当需要进位时，即：AR=1，（通过观察微指令开看AR进位时才选中）那么会有进位，此时在下一次带进位的移位时，SHE_C0=1;2.控制ALU进位的器件：说明：在此器件中，AR为控制端，上次的进位溢出位FC连到D0上M[19]与Q非的或，连接到ALU_CN，当M[19]=1时表示不带进位的运算，那么ALU_CN的结果肯定是1，在下次运算时肯定是不带进位的运算。当M[19]=0，时，表示运算器运算是带进位的运算，若上次的运算FC=1，若选中AR则，表示本次的运算时带进位的运算，则在T2周期时，Q=1，那么ALU_CN的输出是0，将结果输入到ALU的进位控制端，控制本次的进位运算。4．通过编程控制可编码寄存器的选择：.内部结构：说明：这是通过两个2-4译码器组合而成的选择器，根据decoder_b产生的控制信号，并且在编程时编写的I0——I3指令来控制，RS,RD,RI.寄存器的选择。为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：R0RS;R1RD;R2RI;七、程序表设计：实验程序如下：根据框图的设计以及书中的指令系统功能表，在编码的时候考虑到的情况主要是用指令指定哪个寄存器，以及在实现LDA，STA，JMP，BZC，是选用的哪种寻址方式，为了全面的测试框图实现功能的正确性，在设计程序流程的时候所有的功能，以及所有的寻址方式都用到了，下面就是我设计的实验程序：表7-2微指令格式121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B987选择000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARA字段B字段C字段地址数据16进制表示助记符000100000141IN：SW-RD(27)010100000040IN:SW-RS(26)0210100001A1SBC:(RD-RS)=RD030101100159OUT:RD=LED041001000191ADC:(RD+RS)=RD050101100159OUT:RD=LED0610110001B1INC:RD+1=RD070101100159OUT:RD=LED0811000001C1AND:(RD)AND(RS)=RD090101100159OUT:RD=LED0A11010001D1COM:RD取反=RD0B0101100159OUT:RD=LED0C11100001E1RRC:将RS中的数循环左移0D0101100159OUT:RD=LED0E11110001F1RLC:将RS中的数循环右移0F0101100159OUT:RD=LED101000000181MOV:RS-RD110101100159OUT:RD=LED120100001042IN:SW=RI(存入的数：10H)130000000101LDA:RAM=RD14000111101E把1E里的数送到RD中150001010115STA:RD=RAM16000111111F将RD中的数存到1F的地址中去17001010102AJMP:180001000111在变址寻址中用到（10H+11H）19001111013DBZC:1A0000001103没有用到1B0110000060HALT:停机指令1C0000000000没有用到1D0000000000没有用到1E000011110F在执行LDA是会用到0F1F000011110F在执行STA时会存到此地址200000000000在执行LDA存到此位置2101011001OUT读出RD中的数22001010102AJMP：跳回到断点位置230000100109执行JMP时用到此数将设计好的程序表写入到内存中，然后读内存，然后执行程序。七、实验过程分析：模型机过程分析：1.首先在ROM中已经存入了微代码，这里，在实验中发现35是错误的，正确的应该是：01A426，这是通过实验验证的。在SE-5的控制下，产生SE信号，控制微代码的后六位是否发生改变，从而判定是否发生跳转，产生的微地址送到uaddr中，指示到下一条的指令。2.每一条微代码，通过decodera，decoderb，decoderc，decoder2-4产生相应的控制信号，在观察了四个器件的的内部结构后，得出decodera选中的信号是输出1，得出decoderb选中的信号是输出0，得出decoderc选中的信号是输出1，decoder2-4输出0，这样在结合74148优先权编码器后才能完整的控制总线以及相应的输出。3.reg_3是可编程寄存器，利用指令可以选用不同的寄存器，在此模型机自己设计了一个DECODERREG部件通过，RD_B,RD_B,RD_B,以及I3-I0来控制选用相应的寄存器。为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：R0RS;R1RD;R2RI;4.在微程序流程图中在进行相对寻址时框图47是错误的应该是：PCBUS,BUSDR2;波形图分析：1.开始执行程序，执行指令是40，执行的是IN指令，将27存入了指定的寄存器RD。说明：为编程方便用I0，I1，I2，I3，来控制选取：2.此时指令是：40，将26存入RS：3.指令：A1：（RD-RS）=27-26=01，将结果存入RD中。4.将RD中的结果输出到led中显示：此时的指令是（OUT：59）。5.执行ADC（91）指令：（ＲＳ＋ＲＤ）＝（２６＋０１）＝２７存入ＲＤ中：６.执行OUT指令，将ＲＤ中的结果输出：７．执行INC指令，并将加１的结果输出到ｌｅｄ中：８.执行AND（C1）指令，(RD)AND(RS)=(28AND26)=20,然后执行OUT（59）指令，