复杂模型机实验.doc

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1、5.3复杂模型机设计实验5.3.1实验目的综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机。5.3.2实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。5.3.3实验原理下面讲述一下模型计算机的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法表示数据，字长为８位，8位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：0≤X≤28－1。2．指令设计模型机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有6条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类

2、指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共6条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。3．指令格式所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）格式如下：７６５４３２１０OP-CODERSRD其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定：RS或RD选定的寄存器000

3、11011R0R1R2R3IN和OUT的指令格式为：７６５４（1）３２（1）１０（1）7—0（2）OP-CODERSRDP其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见图5-3-1（在地址总线单元）。图5-3-1I/O地址译码原理图由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表5-3-1所示：表5-3-1I/O地址空间分配A7A6选定地址空间00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11IOY3C0-FF系统设计

4、五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。LDI的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。７６５４（1）３２（1）１０（1）7—0（2）OP-CODERSRDdataLAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。７６５４（1）３２（1）１０（1）7—0（2）OP-CODEMRDD其中M为寻址模式，具体见表5-3-2，以R2做为变址寄存器RI。表5-3-2寻址方式寻址模式M有效地址E说　明00011011E=DE=（D）E=（RI）+DE=（PC）+D直接寻址间接寻址RI

5、变址寻址相对寻址4．指令系统本模型机共有15条基本指令，表5-3-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表5-3-3指令描述5.3.4总体设计本模型机的数据通路框图如图5-3-2所示。图5-3-2数据通路框图和前面的实验相比，复杂模型机实验指令多，寻址方式多，只用一种测试已不能满足设计要求，为此指令译码电路需要重新设计。如图5-3-3所示在IR单元的INS_DEC中实现。图5-3-3指令译码原理图本实验中要用到四个通用寄存器R3…R0，而对寄存器的选择是通过指令的低四位，为此还得设计一个寄存器译码电路，在IR单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现，如图5-3-4所示。图

6、5-3-4寄存器译码原理图根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图5-3-5所示。按照系统建议的微指令格式，见表5-3-4，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，见表5-3-5，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。表5-3-4微指令格式图5-3-5微程序流程图表5-3-5二进制代码表地址十六进制表示高五位S3-S0A字段B字段C字段UA5-UA00000000100000000000000000001006D430000000001101101010310707000010000011100000104002405000000000

7、0100110000504B201000001001011001000060024070000000000100110000701320100000001001100100008106009000100000110000000091830010001100000110000000A1060100001000001100000000B0000010000000000000000000C1030010001000000110000000D20060100100000000