实验五复杂模型机的设计与实现
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
Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。
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数据，且字长为8位，其格式如下：
其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤X＜1。
2.指令格式
模型机设计四大类指令共16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。
⑴ 算术逻辑指令
设计9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：
其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：
其中R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH
9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。
⑵ 访问指令及转移指令
模型机设计2条访问指令，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：
其中“0 0 M ”为源码段，2OP-CODE为目的码段（LDA、STA指令使用）。D为十六位地址段（低八在前，高八随后），M为源寻址模式，其定义如下：
⑶ 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：
⑷ 停机指令
指令格式如下：
HALT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9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
表5-1
图5-1复杂模型机微程序流程图
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，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。
源编码目的编码
实验所用的机器指令程序：
四、实验方法
㈠键盘操作
⑴首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控／在线”。
在待命状态0下按【减址】键，LCD显示器显示工作模式选项：
Dais-CMX16+ ’XXX
按【增址】键，将光标移到“MUD”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“y”（搭接）或“n”（在线），按【减址】键确定：
接着系统询问用户是否使用扩展I/O 方式，按【增址】键选择“y ”（扩展I/O ）或“n ”（微控制器关联），按【减址】键确定：
确定设置后，系统返回待命状态0。
⑵机器程序与对应的微控制程序的写入：
在待令状态下，键入数字键“4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。
⑶运行程序
①单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”
次序循环，次序循环。
②微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。
Dais-CMX16+ ’mud
Dais-CMX16+ ’mud Dais-CMX16+ ’mud
Dais-CMX16+ ’mud Dais-CMX16+ ’mud
③宏运行（指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察PC地址是否和流程一致。
④程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。
㈡联机运行
双击桌面“Dais-CMX 集成开发环境”图标进入联机模式
在联机状态下，首先应打开mxj4.asm（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载，如源程序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：
单节拍：单击菜单“运行→单拍运行微指令”命令或单击工具栏“单拍”按钮，以单节拍方式按T1~T4顺序逐步运行微程序。
单周期：单击菜单“运行→单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，以单周期（T1~T4为一个机器周期）方式逐步运行微程序。
应用级调试
在机器指令的层面进行逐步调试，面向应用程序，帮助用户了解机器指令的执行结果。
单步机器指令：单击菜单“运行→单步运行机器指令”命令或单击工具栏“单步”
按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跟踪进入。
宏单步机器指令：单击菜单“运行→宏单步运行机器指令”命令或单击工具栏“宏
单步”按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跨越执行。
全速运行
单击菜单“运行→全速运行”命令或单击工具栏“运行”按钮，忽略实现细节，以全速方式运行机器指令、微指令，用来验证应用程序的运行结果。
暂停与复位
暂停：当实验系统进入全速运行、自动单步等状态时，可随时单击菜单“运行→暂停”命令或单击工具栏“暂停”按钮，使实验系统暂停当前运行的程序，并展现暂停后的模型机现场，帮助用户观察各部件的状态。
复位：在待命状态下，单击菜单“运行→复位”命令或单击工具栏“复位”按钮，可对模型机进行复位操作，初始化所有寄存器和标志位。注：复位操作不会破坏程序存储器、微程序存储器的内容。
表5-2 复杂模型机微指令表
续下表…………继上表
五、实验报告
1.总结本次复杂模型机的机器指令类型。
2.将实验时用到的那几条机器指令转化成对应的微指令。以单拍方式进行描述。
3.自己设计1条机器指令，并设计这条机器指令对应的微指令。