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系统由两个程序组成,可分别对微程序控制器和组合逻辑控制器进行模拟。
同学们设计好自己的指令系统的微程序后,可加载到微程序模拟程序中,进行相应的调试,发现其中的逻辑错误并设法改正。
而对组合逻辑控制器,也可在编写完节拍和逻辑信号的表达式后,加载到组合逻辑模拟程序中进行检查和调试。
经验证无误后,可基本证明设计的逻辑正确性。
对因为种种原因限制而无法进行硬件实验的同学,通过在模拟软件上的设计和实验,也可基本掌握控制器的运行原理,对其有基本的认识。
TEC-2000A微体系结构级模拟软件系统由两个程序组成,一个是针对微程序控制器设计的,能对用户自行设计的微程序进行模拟,若设计的微程序符合TEC-2000A教学计算机硬件运行要求,就可以在模拟器上正确运行TEC-2000A的机器语言程序。
另一个是针对组合逻辑控制器设计的,它装入用户设计的节拍和控制信号产生的表达式后,也可完成对这些设计的检查和仿真运行。
两个程序均运行在Windows环境下。
需要指出的是,不管是设计全套新指令还是对指令系统的进行扩展,由于微体系结构实验均是设计出指令的全部控制信号,因此,必须在实验前设计出全部完整的微程序(微程序控制器)或是组合逻辑的表达式(组合逻辑控制器)。
1.教学计算机微程序控制器模拟程序使用说明
在安装好TEC-2000教学计算机软件系统的PC机上,单击“开始”菜单,选择“程序”,在弹出的列表中选择“TEC-2000教学软件”,在右边的菜单中选择“辅助设计与仿真”,然后在列表中选择“仿真”,打开“16位机微程序”。
计算机微程序仿真软件并启动运行,将出现图2-1所示界面。
图2-1TEC-2000微程序模拟主界面
界面的最左边是功能区,设置了程序的主要功能按钮,下面将介绍这些按钮的功能和使用方法。
中间部分是用户程序区,用做调试的用户程序将在程序区中显示,供调试过程中查看。
右边的上半部分是输出窗口,可看成是TEC-2000教学计算机的显示器,按下“显示ROMS内容”按钮后,将被切换为显示各ROM的二进制数值。
下半部分是模拟程序的输出,主要包括当前运行程序的指令字、程序状态字、各通用寄存器的值,以及ALU的输出结果,这些,可供用户调试程序时观察程序运行的结果。
使用模拟程序主要是对用户设计的微程序方案进行仿真运行,以检验方案的正确性。
因此,首先要装入用户设计的微程序,它采用的是和真正要在硬件的控制存储器上烧制的格式,即全部微程序方案由MAPROM、ROM1~ROM7共8个二进制文件组成。
这些文件可用UltraEdit软件编写,也可自行编制程序完成由文本格式到二进制数据格式的转换后生成。
准备好MAPROM、ROM1~ROM7共8个二进制文件后,将它们存放在一个文件目录下。
然后,按图5-1中界面上的“导入各ROM文件”按钮,在图5-2所示界面上选定这8个文件(文件名必须按照上述名称给定,并以.bin为文件后缀),按“打开”按钮,将装入用户设计的微程序方案。
以后的操作,均是对本方案的各种机器语言程序运行过程的模拟。
图5-2装入微程序方案
微程序方案装入完成后,可点击“显示各ROMS内容”按钮,进行查看和检查,如图5-3所示。
若发现错误,可直接在界面上修改。
修改后注意按“Update”按钮保存。
图5-3查看或修改微程序界面
按“显示输出窗口”按钮可返回主界面。
为检查、验证微程序方案的正确性,需要对微程序实现的指令系统中全部指令进行模拟运行,检查运行结果是否正确。
这一过程可用简单的机器语言程序来完成,如我们可以用如下程序来验证MVRD、ADD及RET三条指令的正确性。
MVRDR0,0
MVRDR1,1
ADDR0,R1
RET
将指令系统中所有指令都验证完后,可得到微程序方案基本设计正确的结论。
此时,可尝试进行加载监控程序并运行,这样,整个教学计算机将在用户设计的微程序控制器的控制下运行。
为方便用户输入程序,教学计算机模拟系统支持汇编语言(如用户使用TEC-2000规定的基本指令集)、文本形式的二进制机器语言程序(对一些用户自行扩展的指令,交叉汇编程序不能汇编,此时可采用这种方式)和纯二进制机器指令程序(即真正的机器语言程序)。
下面分别介绍它们的使用过程。
汇编语言程序是符号化的机器语言,与机器语言相比,更方便进行人机交流。
通过“导入汇编文件”按钮或“文件”菜单项中的“导入汇编文件”项,将汇编语言程序读入到系统中,然后,再使用“交叉汇编”按钮,对该汇编语言程序进行交叉汇编。
此时,系统界面如图5-4所示,可以对该汇编语言程序进行连续、单指令或单步骤执行。
图5-4装入汇编语言程序并交叉汇编
汇编语言程序虽然比较直观,但受交叉汇编的限制,只能是使用TEC-2000的基本指令且是规定的操作码。
对用户自行扩展的指令,或者是改变了指令的操作码,则无法直接使用汇编语言程序,只能使用机器语言程序。
机器语言程序一般应是二进制格式,直接装入到主存储器中运行,这样,对用户编写程序就不是很方便,写出0、1的代码后,还要事先转换成二进制格式才能装入。
为此,教学计算机模拟系统支持用户用0、1代码编写的机器语言程序(文本形式),由模拟系统本身进行到二进制的转换。
例如,我们可以用下面的机器语言文本文件来替换前面的汇编语言程序。
1000100000000000
0000000000000000
1000100000010000
0000000000000001
1000111100000000
这些机器指令由前面的汇编语言程序对应而来,使用的是TEC-2000缺省定义的操作码。
将这些内容保存为文本文件后(以.txt)为后缀,选择“文件”菜单项中的“导入机器指令的汇编文件”项,可将程序装入到系统中。
系统将自动完成该程序从文本文件到二进制机器指令的转换。
当然,本系统也可直接装入二进制机器指令运行,这可以将一些已经是机器指令的程序直接装入到系统中运行。
程序在模拟系统中运行正确后,也可以用做在实际的教学计算机上,用来进行硬件调试(此类文件一般应以.COD或.BIN作为后缀)。
选择“文件”菜单项中的“导入机器指令的汇编文件”项,可将程序装入到系统中。
需要说明的是,监控程序也可以采用这种方式装入。
所有的指令均检查无误后,可以把监控程序作为对微程序设计方案的一个总的测试对象。
选择“文件”菜单项中的“加载监控程序”项,可将监控程序装入到系统中。
程序装入完成后,可使用“Reset”按钮,启动程序的运行。
可用“连续执行”按钮将程序完整的执行,也可使用“单指令执行”按钮单独执行一条指令,还可以用“单步执行”按钮单独执行一个微操作。
“单指令执行”和“单步执行”时,可通过观察各输出结果,判断程序执行的正确性。
若不正确,可能是微程序设计方案有错误,可通过前面介绍的查看和修改微程序界面,修改微程序,再进行进一步的调试,直到程序能正常运行。
最后,可通过运行监控程序来进行较大规模的检验。
5.1使用模拟程序完成微程序控制器实验
在硬件教学计算机TEC-2000上,微程序控制器部件实验要求是在已有基本指令的基础上,完成扩展几条新的指令,使新指令能够在教学机上运行。
它要求掌握指令格式、指令操作码编码、寻址方式和指令功能等基本内容,熟悉教学计算机总体组成和各部件的运行原理,设计出新扩展指令的微程序段,并合理安排到已有基本指令的微程序中,并且希望同学们增强硬件调试能力,能熟练地将微程序装入到控制存储器中,发现和排除设计中的错误。
实验要求比较高。
为降低实验难度,可以首以先在模拟程序上完成微程序控制器实验的设计部分,将设计的扩展方案在模拟环境下调试通过后,再进行硬件实验,这可排除设计中的各种错误,转而集中精力解决硬件故障问题。
在硬件实验条件比较欠缺的情况下,也可以通过模拟程序实验,基本掌握微程序控制器的基本原理,支持这种方案,但不推荐此种实验方式,已经有很多单位,也包括清华大学计算机系,都曾吃过硬件课程软化的亏。
下面,我们就介绍使用模拟程序完成微程序控制器实验的基本要求和步骤。
1、实验设备和环境
本实验的主要内容是在PC机上,使用教学计算机微程序的模拟程序,模拟微程序控制器的运行。
因此,实验设备为PC计算机,主要环境为Windows操作系统,安装教学计算机微程序模拟软件。
2、实验目的
(1)进一步熟悉教学计算机指令格式、指令编码、寻址方式和指令功能;
(2)进一步熟悉教学计算机的总体组成和各部件的运行原理,理解指令的执行过程;
(3)通过对指令系统的扩展,了解微程序控制器设计和实现的基本过程;
(4)思考和讨论微程序控制器的特点并与组合逻辑控制器进行比较。
3、实验要求
(1)通过预习,熟悉教学计算机微程序控制器模拟系统的使用;
(2)确定实验中要扩展的指令的功能、编码、格式和寻址方式;
(3)设计新指令的微程序段,并将其加入到原有的微程序中,组成新的微程序;
(4)将新的微程序装入到模拟系统中,并验证其正确性,尤其是扩展指令的正确性;
(5)进行实验总结。
4、实验步骤
下面,以在现有TEC-2000教学计算机微程序控制器基础上,扩展指令ADCDR,SR为例,说明实验的步骤。
(1)指令功能和格式的确定
ADCDR,SR指令的功能是,将SR中的值用作源操作数、DR的值用作目的操作数,并把状态寄存器中C标志位的值作为最低位进位输入完成求和运算,结果存入目的寄存器DR中,即DR←DR+SR+C。
指令格式可确定为操作码(8位),DR(4位),SR(4位)。
由于它的功能在取指之后可一步完成,我们把它归为A组指令,分配操作码为00100000。
指令寻址方式显然为寄存器寻址。
(2)指令步骤划分
与ADD指令类似,ADC指令也划分为以下3个步骤:
(i)AR←PC
(ii)读主存,IR←读出内容
PC←PC+1
(iii)DR←DR+SR+C,保存状态信息
结束,检测中断请求,无中断请求,进入下一条指令的执行过程。
(3)给出每个步骤的控制信号
我们发现,上面的(i)(ii)两步都可借用原有微程序的段,只有(iii)的控制信号需要设计。
根据教学计算机的要求,各部件要求的控制信号设计如下:
CI3~0SCC3~00MRW0I2~0SAI8~6SBI5~3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1
001100000100000110111000000000000001001000000000
另外,(iii)结束后,将和其他指令一样,转到检测中断请求的操作,所以,该条微指令的下地址字段值应为00110000(也就是16进制的30)。
(4)将设计好的微程序段加入到原有微程序中
首先,应确定该段微程序的微地址,我们可以选择一个原有微程序中没有使用的微地址如50,来存放该段微程序。
具体的操作步骤是,启动模拟程序后,先导入只有基本指令的ROM文件,进入显示ROMS内容窗口,在该窗口输入微地址50,按“查找”按钮后,在对应栏目中输入上面设计的微程序控制信号,输入完成后,按“update”按钮修改。
注意:
因为我们给ADC设计的操作码是20,还需要修改地址为20的MPROM单元的内容,向该单元写入50。
如希望保存设计结果,可按“生成新文件”按钮保存。
此处的数字均为16进制的数。
(5)检查并调试设计方案
设计一段汇编语言程序,包含有ADC指令。
装入到模拟程序中运行调试,通过观察寄存器状态,检查设计正确与否。
(6)硬件调试
如具备条件,可将调试正确的微程序,装入到TEC-2000教学计算机的控制存储器中,在实际的教学计算机硬件上检查设计的正确性,增强对计算机硬件的认识。
5、实验报告要求
实验报告的内容应包括以下几个方面的内容:
(1)实验准备
学习教学计算机微程序模拟程序使用的方法,简要说明你对教学计算机微程序模拟程序的理解,它在完成微程序控制器方案的指令扩展中的作用有哪一些?
(2)指令系统
按照教师指定的扩展指令,仔细分析指令的功能、应该采用的寻址方式,设计出指令格式,并合理划分指令执行步骤,将指令进行归类,并为扩展指令指定指令操作码编码。
说明你的设计的特点以及你选择这种设计方案的理由。
(3)按指令的执行步骤设计出每一步骤的控制信号,完成微程序段的设计。
给出你的设计结果。
简要说明下地址字段在微程序中的作用,根据什么来确定下地址字段的内容?
(4)在模拟程序上实现你的设计,并调试。
说明你在调试中遇到的问题,以及解决的办法,并给出解释。
(5)实验总结和体会。
5.2教学计算机组合逻辑控制器模拟程序使用说明
在安装好TEC-2000教学计算机软件系统的PC机上,选择TEC-200016位教学计算机组合逻辑仿真软件并启动运行,将出现图5-5所示界面。
图5-5TEC-2000组合逻辑控制器模拟主界面
右边的上半部分是输出窗口,可看成是TEC-2000教学计算机的显示器。
下半部分是模拟程序的输出,主要包括当前运行程序的指令字、节拍状态、程序状态字、各通用寄存器的值,以及ALU的输出结果,这些,可供用户调试程序时观察程序运行的结果。
使用模拟程序主要是对用户设计的组合逻辑控制器方案进行仿真运行,以检验方案的正确性。
因此,首先要装入用户设计的指令系统、时序节拍转换Time表达式、组合逻辑控制信号生成表达式(包括MACH和GAL)等。
这些表达式的格式,请参照本实验指导书的相关章节。
准备好上述文件后,将它们存放文件目录下。
然后,首先按图5-5中界面上的“ON”按钮,激活下面的按钮功能,再分别按“导入指令系统”、“导入Time”和“导入Mach及Gal”按钮,可将指定的文件装入到系统中。
其中,“导入Mach及Gal”将先导入Mach文件,然后将提示继续导入Gal文件,可选择7个Gal文件同时导入。
这样,组合逻辑控制器设计方案装入完毕。
为检查、验证组合逻辑控制器设计方案的正确性,需要对它实现的指令系统中全部指令进行模拟运行,检查运行结果是否正确。
这一过程可用简单的机器语言程序来完成,如我们可以用如下程序
来验证MVRD、ADD及RET三条指令的正确性。
将指令系统中所有指令都验证完后,可得到组合逻辑控制器方案基本设计正确的结论。
此时,可尝试进行加载监控程序并运行,这样,整个教学计算机将在用户设计的组合逻辑控制器的控制下运行。
本系统支持已经汇编好的16位机的机器语言程序。
用户可将编制的汇编语言程序,通过交叉汇编等程序汇编成机器语言程序后,进行检测。
如有可能,也可直接编制机器语言程序。
(如对一些自行设计的指令,则只能直接编制机器语言程序调试)。
按“导入程序”按钮后,将指定的机器语言程序读入到系统中,如图5-6所示。
测试程序装入后,就可以使用“单节拍执行”、“单指令执行”和“全部执行”几个按钮来执行刚装入的机器语言程序。
其中,“单节拍执行”仅执行当前指令的当前节拍,输出该节拍运行后的状态。
“单指令执行”输出当前指令运行后的程序状态。
“全部执行”时,将不再输出这些信息。
用户可通过对程序运行过程的模拟,发现设计方案中的错误,并由此修改设计方案。
所有的指令均检查无误后,可用监控程序作为对微程序设计方案的一个总的测试。
监控程序的装入方式同上,本软件包中已包含有监控程序的机器码。
若监控程序在该设计方案上能正确运行,则可说明设计方案中已不存在逻辑错误,可以在硬件上进行调试了。
图5-6装入机器语言程序
5.3使用模拟程序完成组合逻辑控制器实验
计算机组合逻辑控制器实验,要求在教学计算机已有基本指令系统的基础上,由同学自行添加若干条新的指令,包括定义指令功能、格式,划分指令执行步骤和确定每一步骤的功能,确定每一执行步骤使用的全部控制信号的状态值,然后,根据新的设计结果,重新编写控制信号的逻辑表达式,装入到计算机硬件系统中,并写一个包含有新指令的程序,检查运行结果的正确性。
由于硬件环境比较复杂,调试难度大,实验要求比较高。
为降低实验难度,可以先在模拟程序上完成组合逻辑控制器实验的设计部分,将我们设计的扩展方案在模拟环境下调试通过后,再进入硬件实验,这可以排除设计中的各种错误,转而集中精力解决硬件故障问题。
在硬件实验条件比较欠缺的情况下,也可以通过模拟程序实验,基本掌握组合逻辑控制器的基本原理,我们提供这种方案,但不推荐此种实验方式,已经有很多单位,也包括清华大学计算机系,都曾吃过硬件课程软化的亏。
下面,我们就介绍使用模拟程序完成组合逻辑控制器实验的基本要求和步骤。
本实验的主要内容是在PC机上,使用教学计算机的模拟软件,模拟组合逻辑控制器的运行过程。
因此,实验设备为PC计算机,主要环境为Windows操作系统,安装教学计算机组合逻辑模拟软件。
(3)通过对指令系统的扩展,了解组合逻辑控制器设计和实现的基本过程;
(4)思考和讨论组合逻辑控制器的特点并与微程序控制器进行比较。
(1)通过预习,熟悉教学计算机组合逻辑控制器模拟系统的使用;
(3)设计新指令的节拍状态和控制信号,并将其加入到原有的指令系统表中;
(4)根据新的指令系统表改写控制信号逻辑表达式,将新的逻辑表达式和指令系统表装入到模拟系统中,并验证其正确性,尤其是扩展指令的正确性;
下面以在TEC-2000教学计算机组合逻辑控制器的现有基础上,扩展指令ADCDR,SR为例,说明实验的步骤。
ADCDR,SR指令的功能,是将SR中的值用作源操作数、DR的值用作目的操作数,以状态寄存器中C标志位的值作为最低位的进位输入完成求和运算,运算结果存入目的寄存器DR中,即DR←DR+SR+C。
PC←PC+1
结束,检测中断请求,无中断请求,进入下一条指令的执行过程。
(3)给出每个步骤的节拍状态和控制信号
我们发现,上面的(i)(ii)两步与A组指令中其他指令都相同,可照搬其他指令的设计,采用相同的节拍状态。
只有(iii)的控制信号需要设计,其节拍状态也可设定为0011。
另外,(iii)结束后,将和其他指令一样,转到检测中断请求的操作。
(4)根据新的指令系统表,改写控制信号逻辑表达式
根据有新指令的指令系统表,并参考原有的控制信号逻辑表达式,进行必要的修改,得到含新扩展指令的表达式。
然后,可在模拟程序上进行调试。
具体的操作步骤是,启动模拟程序后,将我们新设计的各文件依次导入到模拟程序中,再设计一段汇编语言程序,包含有ADC指令。
如具备条件,可将调试正确的设计结果,装入到TEC-2000教学计算机的Gal和MACH器件中,在实际的教学计算机硬件上检查设计的正确性,增强对计算机硬件的认识。
学习教学计算机组合逻辑控制器模拟程序使用的方法,简要说明你对教学计算机组合逻辑模拟程序的理解,在完成组合逻辑控制器的指令扩展过程中它起什么作用?
按照教师指定的扩展指令,仔细分析指令的功能、应该采用的寻址方式,设计出指令格式,并合理划分指令执行步骤,将指令进行归类,并为扩展指令指定指令编码。
说明你的设计特点以及选用这种设计方案的理由。
(3)按指令的执行步骤设计出每一步骤的控制信号,完成组合逻辑控制器的指令扩展设计。
简要说明节拍状态在组合逻辑控制器中的作用。
说明你在调试中遇到的问题,以及解决的办法。
并给出解释。
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