基本模型机实验

2011.5.20
内容（二进制） 0000 0000 0001 1000 0000 1010 0010 0000 0000 1011 0011 0000 0000 1011 0100 0000 0000 0000 0000 0001
助记符 IN ADD [0AH] STA [0BH] OUT [0BH] JMP 00H
表5-1 SWB、SWA的状态
SWB 0 0 1
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SWA 0 1 1
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控制台指令 读内存（KRD） 写内存（KWE） 启动程序（RP）
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3．指令格式 微指令字长共24位，其控制位顺序Βιβλιοθήκη Baidu下：
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ALU控制字段：S3、S2、S1、S0、M、Cn， 它们的二进制组合用于控制ALU的工作模式，具 体含义参见运算器实训中关于ALU的介绍。 存储器读写控制字段：WE，用于控制存储器的 读写控制，详细的介绍参见存储器实验。 片选字段：CE，LDPC的组合将会对存储器、 输入、输出设备进行片选。 A、B、C字段分别是3位二进制的组合，它们分 别作为译码器的输入，然后输出各种控制信号， 其含义将如上表所示，A、B、C字段输入与输出 信号。
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程序(机器指令) $P0000 $P0110 $P020A $P0320 $P040B $P0530 $P060B $P0740 $P0800 $P0A01
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$M00018110 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004 $M0400B005 $M0501A206 $M06959A01 $M0700E00D $M08000001 $M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E $M0C01ED96
$M0D028201 $M0E00E00F $M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94 $M1200A017 $M13018001 $M14002018 $M15070A01 $M1600D181 $M17070A10 $M18068A11
将写好的机器指令和微指令用联机软件的传送文件功能（F4） 将该格式文件传人实验系统即可。
实验五 基本模型机设计与实现
一、实验目的
1．掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其 组成系统构造一台基本模型计算机。 2．为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序， 具体上机调试掌握整机概念。
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二、实验要求
在常规微程序控制器实验的基础上，定义五 条机器指令，并编写相应的微程序，设计一台微程 序控制的指令级模型计算机，进一步认识、掌握整 机概念。
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1．模型机机器指令
本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD （二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、 JMP（无条件转移），其指令格式如下（前4位为操 作码）：
助记符 机器指令 说明 IN 0000 0000 “DATA UNIT”重的开关状态－>R0 ADD add 0001 0000 XXXXXXXX R0＋[addr]－>R0 STA addr 0010 0000 XXXXXXXX R0－>[addr] OUT addr 0011 0000 XXXXXXXX [addr]－>BUS JMP addr 0000 0000 XXXXXXXX addr－>PC 其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为 addr对应的二进制地址码。
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2．装入机器程序
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否 正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制 台操作微程序。 存储器读操作（KRD）： 控制台开关SWB、 SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM 连续手动读操作。 存储器写操作（KWE）：控制台开关SWB、 SWA为“01”时，按START微动开关，可对RAM 连续手动写入。 本次将写好的机器指令和微指令用联机软件的 传送文件功能（F4）将该格式文件传人实验系统 即可。
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3． 运行程序
①单步运行程序 A．使编程开关处于“RUN”状态，STEP为 “STEP”状态，STOP为“RUN”状态。 B．动总清开关CLR（01 0），微地址清零， PC计数器清零，程序首地址为00H。 C．单步运行一条微指令，每按动一次START键 即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观 察微地址显示灯是否和流程一致。 D．运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结 果是否和理论值一致。
说明 “DATA UNIT”—>R0 R0+[0AH]—>R0 R0—>[0BH] [0BH]—>BUS 00H—>PC
自定 求和结果
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四、 数据通路框图
根据机器指令、微程序执行等情况，设 计实训数据通路框图下图所示。图中CPU 部分由8位字长的运算器ALU； 8位数据寄 存器DR1,DR2；8位通用寄存器R0；8位地 址寄存器AR；程序计数器PC；指令寄存器 IR构成。MEM为内存；INPUT为输入端口； OUTPUT为输出端口。
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5．系统微程序 系统涉及到的微程序流程见下图所示，当 执行“取指”微指令时，该微指令的判别 测试字段为P(1)测试。由于“取指”微指令 是所有为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。本级用指令 寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件， 出现5路分支，占用5个固定微地址单元。
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图5-3 实验数据通路框图
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五、实验步骤
1．连线
2．写机器程序 写程序：连机读/写程序按照规定格式，将机器指令 及表5－２微指令二进制表编辑成十六进制的如下 格式文件。微指令格式中的微指令代码为将表5-2中 的24位微代码按从左到右分成3个8位，将此三个8 位二进制代码化为相应的十六进制数即可。
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②连续运行程序 Ａ. 使“STATE UNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态。 STOP开关置为“RUN”状态。 Ｂ. 拨动CLR开关，清微地址及程序计数器，然后按动 START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP” 时，系统停机。 Ｃ. 停机后，可检查存数单元（0BH）结果是否正确。
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4．机器指令与微程序的对应关系
每条机器指令由多条微指令按一定的顺序完成, 以MOV指令（从存储器到存储器）为例，完成MOV 指令的执行需要执行6条微指令才能完成，其执行流 程为：
PC -> AR PC+ 1 RAM ->BUS BUS - >AR RAM -> BUS BUS -> DR1 PC ->AR PC +1 RAM ->BUS BUS - >AR DR1 ->BUS
思考： 在五条机器指令IN（输入）、ADD（二进制加法
）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件 转移）的基础上增加JZ（结果为零跳转）、SUB （减法指令），请重新设计微指令格式，并写出新 增指令的微程序。
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六、练习
在基本模型机五条机器指令的基础上设计的基 础上，为模型机系统增加RR（循环右移）、RRC （带进位循环右移）、RL（循环左移）、RLC（带 进位循环左移）四条指令，设计新增指令的微程序 和其运行电路图。
三、实验原理
在实验一至三部件实验过程中，各部件单元 的控制信号是人为模拟产生的，如运算器实验中对 74LS-181芯片的控制，存储器实验中对存储器芯片
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的控制信号。而本次实验主要是设计在微程序控制 下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令 的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序 控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到 指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的 序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。
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图5-2 微程序流程图
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表5-2 二进制代码表
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6．实验机器指令程序
本实验设计机器指令程序如下：
地址（二进制） 0000 0000 0000 0001 0000 0010 0000 0011 0000 0100 0000 0101 0000 0110 0000 0111 0000 1000 0000 1001 0000 1010 0000 1011
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微程序流程图
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控制台操作为P(4)测试，如下图所示，它以控 制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分 支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元 固定后，控制存储器剩下的其它地址就可以一条微 指令占用一个单元地址，而且地址可以随意使用。 P(1) 和P(4)对微程序执行分支选择情况如微程序执 行分支选择原理图所示。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码 化，程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制 微代码表”。
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启动程序：微地址清零CLR开关，控制台开关 SWB、SWA为“11”时，按START微动开关，即 可 转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。 上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA 的状态来设置，其定义见表5-1。控制原理图见实 验三（图5-3 微程序执行分支选择原理图）所示。