EL-JY-Ⅱ 计算机组成原理第二套 实验十二.doc

计算机组成原理实验指导书 126
实验十二、RISC模型机实验
一、实验目的：
1. 掌握精简指令系统计算机(RISC)的含义及其工作流程。
2. 了解RISC处理器的设计方法。
3. 定义若干条机器指令，观察其运行过程和运行结果。
二、实验设备：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、模型机结构：

图12-1 RISC模型机结构框图
图中运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。ALU的操作控制信号“S3S2S1S0MCn”设置为固定的电平信号“100101”，使其只能进行加法运算。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。本实验与前面实验的不同之处在于，机器指令的执行不通过微程序控制，而通过指令译码器直接译出各部件的控制信号，以硬布线方式控制，使得指令的执行速度大大加快，这也是RISC处理器的最大特点。
存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H—FFH。
输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。
注：本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低8位有效。
四、工作原理
1、 本实验中RISC处理器定义了五条指令：MOV（寄存器寻址）、MOV（存储器寻址）、ADD、OUT、JMP。寻址方式采用寄存器寻址和立即数寻址两种。单字长指令格式为（高八位默任为0）：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
操作码
Rs
Rd
双字长指令格式为（高八位均默任为0）：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
操作码
Rs
Rd
立即数
Rs、Rd不同的状态选中不同的寄存器，具体如下表所示：
Rs或Rd
寄存器
00
Ax
01
Bx
10
Cx
11
DR1（加法暂存器1）
以上所有的指令均在一个机器周期内实现。
2、 本实验所用指令如下：
MOV： 1000 Rs Rd (寄存器寻址)
ADD： 1001 11 Rd
JMP： 0001 10 Rs
MOV ： 0000 01 Rd（存储器寻址）
DATA(立即数)
OUT： 0100 01 Rs
指令说明：MOV（寄存器寻址）表示将Rs寄存器的数送给Rd寄存器。
MOV（存储器寻址）表示将立即数DATA送给寄存器Rd。
JMP 为转移指令，跳转地址为Rs寄存器中的值。
ADD 为加法指令，被加数固定为DR1，与加数Rd相加后送给Rd。
OUT指令表示将寄存器Rs的数据输出至显示单元。
3、本实验中也设置了对机器指令的三种操作状态，由CA2、CA1决定。CA2=1、CA1=0或CA2=0、CA1=1对应于写指令状态；CA2=0、CA1=0对应与读指令状态；CA2=1、CA1=1对应于指令执行状态，其流程见图12-2。（注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2，由开关来控制。）
4、指令译码器的内部逻辑见随机工程文件total_3.gdf。
五、实验参考代码
本实验机器指令如下表所示：
地址（H） 内容（H） 助记符 说明
00 0004 MOV Ax，0001H 0001H—>Ax
01 0001
02 0005 MOV Bx，0001H 0001H—>Bx
03 0001
04 0087 MOV DR1，Bx Bx—>DR1
05 009C ADD Ax，DR1 Ax+DR1—>Ax
06 0044 OUT DISP, Ax Ax—>LED
07 0005 MOV Bx，0002H 02H—>Bx
08 0002
09 0019 JMP Bx Bx—>PC
表12-1 RISC实验机器指令表
注：DR1为累加器的暂存器1。其中MOV、JMP为双字长（32位），其余为单字长指令。对于双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数；对于单字长指令只有操作码，没有操作数。上述所有指令的操作码均为低8位有效，高八位默认为0。而操作数8位和16位均可。DISP为本系统专用输出设备。
六、实验连线
键盘方式见连线图12-3，开关方式见连线图12-4。（连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上）
七、实验步骤
实验前首先将CPU板上的J1-J6跳线均接至EPC2 OFF，然后通过CPU板上JTAG口将total_3.pof文件写入FPGA。
Ι、键盘操作方式实验
按照接线图12-3将线全部接好。调整控制开关，使C-G=‘0’，S3S2S1S0MCN=“100101”。
1、写机器指令
（1） 先将K4拨到off状态，K1K2K3随意。按【RESET】按钮对单片机复位，使监 控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态。
（2） 按【实验选择】键，显示【ES--_ _ 】输入12，按【确认】键，显示【ES12】，再按【确认】。
（3） 监控显示【CtL2=_】，输入1显示【CtL2_1】表示进入对机器指令写操作状态，此时拨动CLR清零开关（在控制开关电路上，注意对应的JUI应短接）对地址寄存器、指令寄存器清零，清零结果是地址指示灯全灭。如不清零则会影响机器指令的输入！！！确定清零后，按【确认】。
（4） 监控指示灯显示【data】，提示输入机器指令“04”或“0004”（两位或四位十六进制数）,输入后按【确认】，显示【PULSE】，再按【单步】，数据总线显示灯显示“0000000000000100”，即输入的机器指令。
（5） 此时监控继续显示【data】，此时可输入第二条机器指令。依此规律逐条输入表12-1的机器指令，输完后，可连续按【取消】或【RESET】键退出写机器指令状态。注意，每按一次【单步】键，地址指示灯自动加1显示。如输入指令为8位，则高8位自动变为0。
2、读机器指令：
在监控指示灯显示【CtL2=_】状态下，输入2，显示【CtL2_2】，表示进入读机器指令状态，拨动CLR开关对地址寄存器和指令寄存器进行清零，然后按【确认】键，显示【PULSE】，按【单步】键，地址显示灯显示 “00000000”，数据总线指示灯显示“0000000000000100”。监控继续显示【PULSE】，以后每按一次【单步】键，地址指示灯自动加1显示，同时数据总线指示灯显示该地址对应的机器指令。如果发现机器指令有误，则需重新输入机器指令。
注意：机器指令存放在RAM里，掉电丢失，故断电后需重新输入。
3、运行程序
在监控指示灯显示【CtL2=_】状态下，输入3，显示【CtL2_3】，表示进入运行机器指令状态，拨动CLR开关对地址寄存器和指令寄存器进行清零，然后按【确认】键，显示【run CodE】，表示运行程序，可以【单步】运行也可以【全速】运行程序，观察实验运行结果。
4、运行结果
1）单步运行结果
在监控指示灯显示[run code]状态下，连续按[单步]键，可单步运行程序。当地址显示灯显示“00000110”时，输出显示电路数码管显示结果为0002。再连续按[单步]，以后当地址显示灯再次显示“00000110”时，输出显示电路数码管显示结果自动加1。
2）全速运行结果
在监控指示灯显示[run code]状态下，按[全速]键，开始自动执行程序。此时数码管从“0002”起循环加1显示。

Ⅱ、开关操作方式实验
按照接线图12-4将线全部接好。调整控制开关，使C-G=‘0’，S3S2S1S0MCN=“100101”。
1、写机器指令
将控制开关上CA2拨至‘1’，CA1拨至‘0‘状态；拨动清零开关CLR对地址寄存器清零；将数据输入电路的D15—D0拨至需输入的指令数据，按一次[单步]键，数据便写入存储器，同时显示在LED上。改变输入数据，再按一次[单步]键，地址自动加1，写入存储器的数据同时在LED上显示出来。重复以上步骤，直至输完所有的机器指令。
2、 机器指令
将控制开关上CA2拨至‘0’，CA1拨至‘0’状态；拨动清零开关CLR对地址寄存器清零；按一次[单步]键，LED上显示出存储器当前地址上的数据。以后每按一次[单步]键，地址自动加1，LED的上同时显示出存储器当前地址上的数据。读操作可以检查存储器的数据是否与写入数据相符。如不符，可重复步骤1。
3、运行指令
将控制开关上CA2拨至‘1’，CA1拨至‘1’状态；拨动清零开关对地址寄存器清零；每按一次[单步]键，便顺序执行一条指令。地址指示灯表示当前的程序地址。
4、实验结果
如在单步运行状态下观察实验结果，则每当地址显示为“04”时，LED上显示输出结果。第一次为“0002”、第二次为“0003”、第三次为“0004”，以下类推（显示自动加1）。如在全速运行状态下观察实验结果，则输出显示数码管从“0002”起循环加1显示。

图12-2 RISC模型机实验流程图

图12-3 键盘方式连线图

图12-4 开关方式接线图