计算机组成原理

计算机组成原理实验报告学生姓名：高彦萌班级序号：193081-03学号：20081000594一、实验电路1.TEC—4计算机组成原理实验系统的时序电路如下图所示。电路采用2片GAL22V10（U6、U7），可产生两级等间隔时序信号T1－T4和W1－W4，其中一个W由一轮T1－T4循环组成，它相当于一个微指令周期或硬布线控制器的一拍，而一轮W1—W4循环可供硬布线控制器执行一条机器指令。二、微指令的设计：根据给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用的微指令格式。微指令字长共35位。其中顺序控制部分10位，后继微地址6位，判别字段4位，操作控制字段25位，各位进行直接控制。微指令格式中，信号名带有后缀“#”的信号为低有效信号，不带有后缀“#”的信号为高有效信号。对应微指令格式，微程序控制器的组成见图11。控制存储器采用5片EEPROM28C64(U8,U9,U10,U11,U12)。微地址寄存器6位，用一片6D触发器74HC174(U1)组成，带有清零端。两级与门、或门构成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令的地址。在每一个T1上升沿时刻，新的微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存储器随即输出相应的微命令代码。微地址转移逻辑生成下一地址，等下一个T1上升沿时打入微地址寄存器。跳转开关JUMP(J1)是一组6个跳线开关。当用短路子将它们连通时，微地址寄存器µAR从本实验系统提供的微程序地址译码电路得到新的微程序地址µD0-µD5。当它们被断开时，用户提供自己的新微程序地址µD0-µD5。这样用户能够使用自己设计的微程序地址译码电路。5片28C64的地址A6（引脚4）直接与控制台开关SWC连接，当SWC=1时，微地址大于或者等于40H,当SWC=0时，微地址小于40H。SWC主要用于实现读寄存器堆的功能。微地址转移逻辑的多个输入信号中。INTQ是中断请求，本实验中可以不理会。SWA,SWB是控制台的两个二进制开关信号，实验台上线已接好。C是进位信号，IR7-IR4是机器指令代码，由于本次实验不连接数据通路，这些信号都接到二进制开关K0-K15上。三、机器指令与微程序为教学中简单明了，本试验仪使用12条机器指令，均为单字长（8位）指令。指令功能及格式如表5所示。指令的高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。应当指出，用以上12条指令来编写实际程序是不够的。好在我们的目的不是程序设计，而主要是为了教学目的，通过CPU执行一些最简单的程序来掌握微程序控制器的工作原理。上述12条指令的微程序流程设计所示。每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入5个28C64中。指令功能与格式名称助记符功能指令格式R7R6R5R4R2R3R1R0加法ADDRd,RsRd+RsRd0000RS1RS0RD1RD0减法SUBRd,RsRd-RsRd0001RS1RS0RD1RD0乘法MULRd,RsRd*RsRd0010RS1RS0RD1RD0逻辑与ANDRd,RsRd&RsRd0011RS1RS0RD1RD0存数STARd,[Rs]Rd[Rs]0100RS1RS0RD1RD0取数LDARd,[Rs][Rs]Rd0101RS1RS0RD1RD0无条件转移JMP[Rs][Rs]PC1000RS1RS0XX条件转移JCD若C=1则PC+DPC1001D3D2D1D0停机STP暂停运行0110XXXX中断返回IRET返回断点1010XXXX开中断INTS允许中断1011XXXX关中断INTC禁止中断1100XXXXTJS2S1S0M1LDDR1WRDLRWCEL#ALU-BUSRS-BUS#SW-BUS#IAR-BUS#LDERM3AR1-INCLDAR1LDIARM4PC-INCPC-ADDLDPCLDIRINTCINTSP3P2P1P0A5A4A3A2A1A035343332313029282726252423222120191817161514131211判断条件后继微地址为了向RAM和寄存储器堆中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了以下五个控制台操作微程序：存储器写操作（KWE）：按下复位按钮CLR#后，微地址寄存器状态为全零。此时置SWC=0,SWB=1,SWA=0,按启动按钮后微指令地址转入27H，从而可对RAM连续进行手动写入。存储器读操作（KRD）：按下复位按钮CLR#后，置SWC=0,SWB=0,SWA=1,按启动按钮后微指令地址转入17H，从而可对RAM连续进行读操作。启动程序（PR）：按下复位按钮CLR#后，置SWC=0,SWB=0,SWA=0,用数据开关SW7-SW0设置内存中程序的首地址，按启动按钮后微指令地址转入07H,然后转到“取指”微指令。写寄存器操作（KLD）：按下复位按钮CLR#后，置SWC=0,SWB=1,SWA=1，按启动按钮后微指令地址转入37H,从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。读寄存器操作（KRR）：按下复位按钮CLR#后，置SWC=1,SWB=0,SWA=0，按启动按钮后微指令地址转入47H,从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。应当着重指出，在微指令格式的设计过程中，对数据通路所需的控制信号进行了归并和化简。细心的同学可能已经发现，微程序控制器输出的控制信号远远少于数据通路所需的控制信号。这里提供的微程序流程图是没有经过归并和化简的。仔细研究一下微程序流程图，就会发现有些信号的出现的位置完全一样，这样的信号用其中一个信号就可以代表。请看信号LDPC和LDR4，这两个信号都在微程序地址07H,1AH,1FH,26H出现，而在其他的微程序地址都不出现，因此这两个信号产生的逻辑条件是完全一样的。从逻辑意义上看，这两个信号的作用是产生新的PC，完全出现在相同的微指令中是很正常的，因此用LDPC完全可以代替LDR4。还有另一些信号，例如LDDR1和LDDR2，出现的位置基本相同。LDDR2和LDDR1的唯一不同是在地址14H的微指令中，出现了LDDR2信号，但是没有出现LDDR1信号。LDDR1和LDDR2是否也可以归并成一个信号呢？答案是肯定的。微程序流程图中只是指出了在微指令中必须出现的信号，并没有指出出现其他信号行不行，这就要根据具体情况具体分析。在地址14H的微指令中，出现LDDR1信号行不行呢？完全可以。在地址14H出现的LDDR1是一个无用的信号，同时也是一个无害的信号，它的出现完全没有副作用，因此LDDR1和LDDR2可以归并为一个信号LDDR1。根据以上两条原则，我们对下列信号进行了归并和化简：LDIR(CER)为1时，允许对IR加载，此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER。LDPC(LDR4)为1时，允许对程序计数器PC加载，此信号也可用于作为R4的加载允许信号LDR4。LDAR1(LDAR2)为1时，允许对地址寄存器AR1加载，此信号也可用于作为对地址寄存器AR2加载。LDDR1(LDDR2)为1时，允许对操作数寄存器DR1加载，此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载。M1(M2)当M1=1时，操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据；当M1=0时，操作数寄存器DR1从寄存器堆RF接收数据。此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号。在对微指令格式进行归并和化简的过程中，我们有意保留了一些信号，没有化简，同学们可以充分发挥创造性，提出更为简单的微指令格式。还要说明的是，为什么微指令格式可以化简，而试验台数据通路的控制信号为什么不进行化简？最主要的原因是前面进行的各个实验的需要，例如LDDR1和LDDR2这两个信号，在做运算器数据通路实验时，是不能设计成一个信号的。还有一个原因是考虑到实验时易于理解，对某些可以归并的信号也没有予以归并。四．实验任务：常规型微程序控制器组成实验A:（1）按实验要求，连接试验台的数码开关K0-K15、控制开关、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。注意：本次实验只做微程序控制器本身的实验，故微程序控制器输出的微命令信号与执行部件（数据通路）的连线暂不连接。连线完成后应仔细检查一遍，然后才可加上电源。（2）观察时序信号用双踪示波器观测时序产生器的输入输出信号：MF,W1-W4,T1-T4。比较相位关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度。观察时需将TJ1接低电平，DB,DZ,DP开关均置为0状态，然后按QD按钮，则连续产生T1,T2,T3,T4,W1,W2,W3,W4。了解启停控制信号的功能，并熟练地使用连接这些控制信号的按钮或开关。（3）熟习微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码，列于下表。三种控制台指令的功能由SWC,SWB,SWA三个二进制开关的状态来指定（KRD=001B,KWE=010B,PR=000B）。此表必须在预习时完成。微指令地址微指令编码微指令地址微指令编码00H000000003CH0011110007H0000011117H0001011127H001001113FH001111113DH001111013EH00111110单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况，并与上表数据对照。用连续方式执行KWE和KRD（将TJ1接地），画出µA0(28C64的地址A0)信号波形，作出解释。（4）用P3和SWC,SWB,SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KWE,KRD,PR微地址转移逻辑功能的实现。（5）熟习05H,10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件（IR4-IR7），用二进制开关设置IR7-IR4的不同状态，观察ADD至STP九条机器指令微地址转移逻辑功能的实现。（用逻辑笔测试有关逻辑电路的电平，分别做出测试记录，自行设计表格。）（6）设置IR7-IR4的不同组合，用单拍方式执行ADD至STP九条机器指令微程序，用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移和执行情况。用逻辑笔测试小插座上输出的微命令信号，记录ADD,SUB,LDA,STA四条机器指令的微命令信号，B:实验步骤：第一步,接线跳线开关J1用短路子短接。控制器的输入C接K0，IR4接K1，IR5接K2，IR6接K3，IR7接K4，TJI接K5，SKIP接GND。合上电源。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。第二步,观察时序信号波形令K5（TJI）=0，置DP=0，DZ=0，DB=0。按QD按钮，则时序部分开始不停止的运行，直到按CLR#按钮为止。用双踪示波器观察MF、T1、T2、T3、T4、W1、W2、W3、W4信号。观察的方法是同时观察两路信号，以便比较相位。可按下述顺序进行：MF和T1，T1和T2，T2和T3，T3和T4，T1和W1，W1和W2，W2和W3，W3和W4。根据观察的结果，可画出波形图。波形图的图形请参看第一节图3的基本时序图。MF的周期为1000毫秒，占空比为50%。第三步,微地址转移演示控制存储器地址0号单元存放的第一条微指令,其判断测试字段P3P2P1P0=1000,下地址字段0111B(07H)1.置SWC=0、SWB=0、SWA=1，开机,按CLR#按钮后，使实验系统处于初始状态，控制存储器地址为0,取出第一条微指令.经P3测试地址转换逻辑产生下一条微指令的地址为010111B(17H),按一次QD按钮(产生T1),将17H打入uAR,加至控制存储器的地址线上,微地址17H单元存放的微命令输出.17H单元开始的是一段从双端口RAM左端口读数的微程序(KWE).2.置SWC=0、SWB=1、SWA=0,按CLR#按钮后，控制存储器地址为0,取出第一条微指令.经P3测试地址转换逻辑产生下一条微指令的地址为100111B(27H),按一次QD按钮(产生T1),将27H打入uAR,加至控制存储器的地址线上,微地址27H单元存放的微命令输出.27H单元开始的是一段向双端口RAM左端口写数的微程序(KWE).3.置SWC=0、SWB=1、SWA=1，开机,按CLR