基本模型机实验

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1、实验五基本模型机设计与实现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。一、实验目的2011.5.201计算机组成原理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。二、实验要求三、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2011.5.202计算机组成原理的控制信号。而本次实验主

2、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。2011.5.203计算机组成原理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IN00000000“DATAUNIT”重的开关状态－>R0ADDadd00010000XXXXXXXXR0＋[

3、addr]－>R0STAaddr00100000XXXXXXXXR0－>[addr]OUTaddr00110000XXXXXXXX[addr]－>BUSJMPaddr00000000XXXXXXXXaddr－>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。2011.5.204计算机组成原理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

4、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。2011.5.205计算机组成原理启动程序：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。SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程

5、序（RP）表5-1SWB、SWA的状态2011.5.206计算机组成原理3．指令格式微指令字长共24位，其控制位顺序如下：2011.5.207计算机组成原理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

6、。2011.5.208计算机组成原理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：2011.5.209计算机组成原理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。2011.5.2010计算机组成原理微

7、程序流程图2011.5.2011计算机组成原理控制台操作为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”。2011.5.2012计算机组成原理图5-2微程序流程图2011.5.2013计算机组成原理表5-2二进制代码表2011.5.2

8、014计算