计算机组成及系统结构实验报告.doc

计算机组成及系统结构实验报告2
评语:
课中检查完成的题号及题数：

课后完成的题号及题数：

成绩:

自评成绩:
95

实验报告
实验名称：
1.4 CPU 及简单模型机设计实验
日期：
2015.11.16
班级：

学号：
2013302534
姓名：
杨添文

一、 实验目的：
(1) 掌握一个简单CPU 的组成原理。
(2) 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。
(3) 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。
二、 实验内容：
1、 实验原理：
本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2-1-1 所示。这个CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

图1-4-1 基本CPU 构成原理图

除了程序计数器（PC），其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统的程序计数器（PC）由两片74LS161 和一片74LS245 构成，其原理如图1-4-2 所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T2 相及后作为计数器的计数时钟，当LOAD 为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PC。

图1-4-2 程序计数器(PC)原理图
本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下（高４位为操作码）：

助记符 机器指令码 说明
IN 0010 0000 IN→R0
ADD 0000 0000 R0 + R0→R0
OUT 0011 0000 R0→OUT
JMP addr 1100 0000 ******** addr→ PC
HLT 0101 0000 停机

其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr 对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU 自动从存储器读取指令并执行。根据以上要求，设计数据通路图，如图1-4-3 所示。
本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表1-4-1 所示。

图1-4-3 数据通路图

表1-4-1 微指令格式
23
22
21
20
19
18-15
14-12
11-9
8-6
5-0
M23
M22
WR
RD
IOM
S3-S0
A字段
B字段
C字段
MA5-MA0

18 / 18
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
LDA
0
1
0
LDB
0
1
1
LDR0
1
0
0
保留
1
0
1
LOAD
1
1
0
LDAR
1
1
1
LDIR
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
P<1>
0
1
0
保留
0
1
1
保留
1
0
0
保留
1
0
1
LDPC
1
1
0
保留
1
1
1
保留
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
ALU-B
0
1
0
R0-B
0
1
1
保留
1
0
0
保留
1
0
1
保留
1
1
0
PC-B
1
1
1
保留

系统涉及到的微程序流程见图1-4-4 所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1>测试。指令译码原理见图1-3-3 所示，由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P<1> 的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高6 位（IR7—IR2）作为测试条件，出现５路分支，占用５个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16 进制。
当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表1-4-2 即为将图1-4-2 的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。

图1-4-4 简单模型机微程序流程图

表1-4-2 二进制微代码表
地址
十六进制
高五位
S3-S0
A字段
B字段
C 字段
MA5-MA0
00
00 00 01
00000
0000
000
000
000
000001
01
00 6D 43
00000
0000
110
110
101
000011
03
10 70 70
00010
0000
111
000
001
110000
04
00 24 05
00000
0000
010
010
000
000101
05
04 B2 01
00000
1001
011
001
000
000001
1D
10 51 41
00010
0000
101
000
101
000001
30
00 14 04
00000
0000
001
010
000
000100
32
18 30 01
00011
0000
011
000
000
000001
33
28 04 01
00101
0000
000
010
000
000001
35
00 00 35
00000
0000
000
000
000
110101
3C
00 6D 5D
00000
0000
110
110
101
011101

设计一段机器程序，要求从IN 单元读入一个数据，存于R0，将R0 和自身相加，结果存于R0，再将R0 的值送OUT 单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。

地址 内容 助记符 说明
00000000 00100000 ; START: IN R0 从 IN 单元读入数据送 R0
00000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送 R0
00000010 00110000 ; OUT R0 R0 的值送 OUT 单元显示
00000011 11100000 ; JMP START 跳转至 00H 地址
00000100 00000000
00000101 01010000 ; HLT 停机

2、 实验步骤：

1. 按图1-4-5 连接实验线路。

图1-4-5 实验接线图

2. 写入实验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入，本次实验采用联机写入。
联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：

本次实验程序如下，程序中分号‘；’为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉：
; //*************************************//
; // //
; // CPU及简单模型机实验指令文件 //
; // //
; //*************************************//

; //***** Start Of Main Memory Data *****//

$P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0
$P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0
$P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示
$P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址
$P 04 00 ;
$P 05 50 ; HLT 停机

; //***** End Of Main Memory Data ***//

; //** Start Of MicroController Data **//

$M 00 000001 ; NOP
$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1
$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>
$M 04 002405 ; R0->B
$M 05 04B201 ; A加B->R0
$M 1D 105141 ; MEM->PC
$M 30 001404 ; R0->A
$M 32 183001 ; IN->R0
$M 33 280401 ; R0->OUT
$M 35 000035 ; NOP
$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1

; //** End Of MicroController Data **//

选择联机软件的“【转储】—【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。
选择联机软件的“【转储】—【刷新指令区】”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的‘微存’TAB 按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6 位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。
3. 运行程序
将MC 单元的编程开关置为‘运行’档，MEM 单元的编程开关也置为‘运行’档，进入软件界面，选择菜单命令“【实验】—【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。
按动CON 单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP 指令后，检查OUT 单元显示的数是否为IN 单元值的2 倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

三、 项目要求及分析：
1. 试修改现有的指令系统，将加法指令的功能修改为R0的内容和某个存储单元的内容 相加;增加存数、取数和减法三条机器指令，指令助记符分别为 STA、LAD 和SUB， 指令操作码分别为十六进制的60、70和80。
2. 利用修改后的指令系统编写一段程序，完成十六位二进制数的加减法运算。

分析：
（1） 根据ADD指令：R0 + R0→R0，就是将寄存器中的数加两次，现在题目要求将两个不同的数A及B进行相加减，可以另外设计一个方案：A的值还是来自寄存器，但B的值可以设计来自于存储器，即增加存数、取数指令，从存储器中取数，将取出的数存入运算单元。即：
1、将R0的值送入ALU的A端；
2、将另一个数B存入内存中；
具体内容为：
①从IN单元读取要存储的数据地址；
②将地址送到地址寄存器AR；
③从IN单元读取要存储的数据；
④将数据送到内存中的相应存储单元。
3、计算另一个数B的内存地址；
4、利用取数指令取出相应数B：
具体内容为：
①从IN单元读入数据的存储地址；
②将存储地址送至地址寄存器AR；
③将取出的数送至RO。
5、寄存器R0中的数送到ALU的B；
6、进行加减法运算，结果送回R0；
7、连接OUT单元，显示结果输出。
（2） 要进行两个16位的二进制数加减，可以先将两个二进制数的高八位及低八位分别存入不同的地址中，接着取出两个数的低八位相加，送到OUT单元显示，进位要进行存储；然后进行两个数的高八位相加，结果在数据总线显示，其中，最高位的进位忽略。

具体操做：
1、根据已经构思好的指令变化具体步骤（要添加的指令有STA、LAD、SUB以及需更新的ADD），变化微指令，微指令结构为

23
22
21
20
19
18-15
14-12
11-9
8-6
5-0
M23
M22
WR
RD
IOM
S3-S0
A字段
B字段
C字段
MA5-MA0

其中，S3-S0为控制信号，1010表示A+B+CN，1011表示A-B，0000为直通；MA5-MA0为后续微地址；A、B、C字段分别如下表示：
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
LDA
0
1
0
LDB
0
1
1
LDR0
1
0
0
保留
1
0
1
保留
1
1
0
保留
1
1
1
LDIR
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
ALU-B
0
1
0
R0-B
0
1
1
保留

1
0
0
保留
1
0
1
保留
1
1
0
保留
1
1
1
保留
14
13
12
选择
0
0
0
NOP
0
0
1
P<1>
0
1
0
保留
0
1
1
保留
1
0
0
保留
1
0
1
保留
1
1
0
保留
1
1
1
保留

指令译码原理图如下，操做码00、60、70、80分别映射成微地址为30、36、37、38。

画出微程序流程图如下：
00
NOP
01
PC->AR
PC+1
02
MEN->IR

30
P<1>

ADD IN OUT HLT JMP LAD STA SUB
30 32 33 35 3C 37 36 38
R0->A IN->R0 RO->OUT NOP PC->AR IN->R0 IN->R0 RO->A
17 PC+1 15 11 2C
IN->R0 01 01 01 1D R0->AR R0->AR IN->R0
18 MEM->PC 16 12 2D
R0->AR MEM->R0 IN->RO R0->AR
19 01 13 2E
MEM->B 01 R0->MEM MEM->B
05 2F
A+B->R0 01 A-B->R0

01 01

改变后的二进制微代码表为：
地址
十六进制
高五位
S3-S0
A字段
B字段
C字段
MA5-MA0
00
00 00 01
00000

0000
000
000
000
000001
01
00 6D 42
00000
0000
110
110
101
000010
02
10 70 73
00010
0000
111
000
001
000011
03
05 32 01
00000
1010
011
001
000
000001
11
00 64 12
00000
0000
110
010
000
010010
12
18 30 13
00011
0000
011
000
000
010011
13
20 04 01
00100
0000
000
010
000
000001
15
00 64 16
00000
0000
110
010
000
010110
16
10 30 01
00010
0000
011
000
000
000001
17
18 30 18
00011
0000
011
000
000
011000
18
00 64 19
00000
0000
110
010
000
011001
19
10 20 05
00010
0000
010
000
000
000101
1D
10 51 41
00010
0000
101
000
101
000001
2C
18 30 2D
00011
0000
011
000
000
101101
2D
00 64 2E
00000
0000
110
010
000
101110
2E
10 20 2F
00010
0000
010
000
000
101111
2F
05 B2 01
00000
1011
011
001
000
000001
30
00 14 17
00000
0000
001
010
000
010111
32
18 30 01
00011
0000
011
000
000
000001
33
28 04 01
00101
0000
000
010
000
000001
35
00 00 35
00000
0000
000
000
000
110101
36
18 30 11
00011
0000
011
000
000
010001
37
18 30 15
00011
0000
011
000
000
010101
38
00 14 2C
00000
0000
001
010
000
101100
3C
00 6D 5D
00000
0000
110
110
101
011101

四、 具体实现：
由设计的微程序流程图，可以很容易写出以下两个16位二进制数的加法程序：
; //***** Start Of Main Memory Data *****//

$P 00 60 ; STA A0 存储A的低八位
$P 01 60 ; STA B0 存储B的低八位
$P 02 60 ; STA A1 存储A的高八位
$P 03 60 ; STA B1 存储B的高八位
$P 04 70 ; LDA A0 取出A的低八位存入R0中
$P 05 00 ; ADD R0,A0,B0 A和B的低八位相加
$P 06 30 ; OUT 低八位相加的结果在OUT单元输出显示
$P 07 70 ; LDA 取出A的高八位存入R0中
$P 08 00 ; ADD R0,A1,B1 A和B的高八位相加
$P 09 50 ; HLT 停机

; //***** End Of Main Memory Data *****//

; //** Start Of MicroController Data **//
$M 00 000001 ; NOP
$M 01 006D42 ; PC->AR,PC+1
$M 02 107073 ; MEM->IR, P<1>
$M 03 053201 ;
$M 11 006412 ; R0->AR
$M 12 183013 ; IN->R0
$M 13 200401 ; R0->MEM
$M 15 006416 ; R0->AR
$M 16 103001 ; MEM->R0
$M 17 183018 ; IN->R0
$M 18 006419 ; R0->AR
$M 19 102005 ; MEM->B
$M 1D 105141 ; MEM->PC
$M 2C 18302D ; IN->R0
$M 2D 00642E ; R0->AR
$M 2E 10202F ; MEM->B
$M 2F 05B201 ; A-B->R0
$M 30 001417 ; R0->A
$M 32 183001 ; IN->R0
$M 33 280401 ; R0->OUT
$M 35 000035 ; NOP
$M 36 183011 ; IN->R0
$M 37 183015 ; IN->R0
$M 38 00142C ; R0->A
$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC+1

; //** End Of MicroController Data **//

需要注意的是，OUT单元显示的是低八位相加的结果，高八位相加以及进位（如果有的话）的结果在数据总线中显示，最高位的进位不考虑，减法类似。
五、 调试运行结果：
1、验证加法：
输入A：1001 1001,1011 1111（99BF）
输入B：0101 0010,0100 0001（5241）
结果： 1110 1100，0000 0000（EC00）

2、 验证减法：
输入A：1001 1001,1011 1111（99BF）
输入B0101 0010,0100 0001（5241）
结果： 0100 0111,0111 1110（477E）

六、 所遇问题及解决方法：
运算错误，实验结果及理论结果差别很大，因此猜想可能是译码错误或者机器连线出错，排除机器的连线问题后，发现译码的时候将加法的操作码00误当成IN的操作码20，结果译码出错，重新译码后结果正确。
七、 实验总结：
思考题部分的设计跟验证很考验能力，要想做好不同两个数的加减法，不仅需要清晰的思维思路，如将16位数分为低八位及高八位再分别运算，还要深入理解计算机内部的电子电路组成跟运行流程，二者缺一不可，这次实验对我提升很大，将前面几次实验的知识都整合了一遍。
八、 建议：
无。