复杂模型机课程设计报告正文.docx
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复杂模型机课程设计报告正文
一、模型机结构图
图1模型机结构框图
图1中运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成,暂存器1由U3、U4两片74LS273构成,暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。
微控器部分控存由U13—U15三片2816构成。
除此之外,CPU的其它部分都由EP1K10集成(其原理见系统介绍部分)。
存储器部分由两片6116构成16位存储器,地址总线只有低八位有效,因而其存储空间为00H—FFH。
输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成,当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。
在开关方式下,输入设备由16位电平开关及两个三态传输芯片74LS244构成,当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。
在键盘方式或联机方式下,数据可由键盘或串口输入,然后由监控程序直接送上数据总线,因而外加的数据输入电路可以不用。
注:
本系统的数据总线为16位,指令、地址和程序计数器均为8位。
当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时,只有低8位有效。
二、工作原理
1.数据格式
本实验计算机采用定点补码表示法表示数据,字长为16位,其格式如下:
15
1413……0
符号
尾数
其中第16位为符号位,数值表示范围是:
-32768≤X≤32767。
2.指令格式
(1)算术逻辑指令
设计9条单字长算术逻辑指令,寻址方式采用寄存器直接寻址。
其格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
rs
rd
其中OP-CODE为操作码,rs为源寄存器,rd为目的寄存器,并规定:
OP-CODE
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
指令
CLR
MOV
ADD
SUB
INC
AND
NOT
ROR
ROL
rs或rd
选定寄存器
00
Ax
01
Bx
10
Cx
9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。
(2)存储器访问及转移指令
存储器的访问有两种,即存数和取数。
它们都使用助记符MOV,但其操作码不同。
转移指令只有一种,即无条件转移(JMP)。
指令格式如下:
76
54
32
10
00
M
OP-CODE
rd
D
其中OP-CODE为操作码,rd为寄存器。
M为寻址模式,D随M的不同其定义也不相同,如下表所示:
OP-CODE
00
01
10
指令说明
写存储器
读存储器
转移指令
寻址模式M
有效地址E
D定义
说明
00
E=(PC)+1
立即数
立即寻址
10
E=D
直接地址
直接寻址
11
E=100H+D
直接地址
扩展直接寻址
注:
扩展直接寻址用于面包板上扩展的存储器的寻址。
(3)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:
7654
32
10
OP-CODE
addr
rd
其中,当OP-CODE=0100且addr=10时,从“数据输入电路”中的开关组输入数据;当OP-CODE=0100且addr=01时,将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。
3.指令系统
有14条基本指令,其中算术逻辑指令8条,访问内存指令和程序控制指令4条。
输入输出指令2条。
表1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。
表1指令格式
汇编符号
指令的格式
功能
MOVrd,rs
1000rsrd
rs→rd
ADDrd,rs
1001rs rd
rs+rd→rd
SUBrd,rs
1010rsrd
rd-rs→rd
INCrd
1011rdrd
rd+1→rd
ANDrd,rs
1100rsrd
rs∧rd→rd
NOTrd
1101rdrd
/rd→rd
RORrd
1110rdrd
┌──→rd→─┐
└──────┘
ROLrd
1111rdrd
┌──←rd←─┐
└──────┘
MOV[D],rd
001000rd
rd→[D]
D
MOVrd,[D]
001001rd
[D]→rd
D
MOVrd,D
000001rd
D→rd
D
JMPD
0000 10 00
D→PC
D
INrd,KIN
010010rd
KIN→rd
OUTDISP,rd
010001rd
rd→DISP
表2:
参考机器指令
汇编符号
功能
十六进制代码
INAX,KIN
KIN——>AX
0048H
INBX,KIN
KIN——>BX
0049H
INCX,KIN
KIN——>CX
004AH
MOVAX,XXXXH
XXXXH——>AX
0004H,XXXXH
MOVBX,XXXXH
XXXXH——>BX
0005H,XXXXH
MOVCX,XXXXH
XXXXH——>CX
0006H,XXXXH
MOVAX,[XXXXH]
[XXXXH]——>AX
0024H,XXXXH
MOVBX,[XXXXH]
[XXXXH]——>BX
0025H,XXXXH
MOVCX,[XXXXH]
[XXXXH]——>CX
0026H,XXXXH
MOV[XXXXH],BX
BX——>[XXXXH]
0021H,XXXXH
MOVBX,AX
AX——>BX
0081H
MOVCX,AX
AX——>CX
0082H
ADDAX,BX
AX+BX——>AX
0094H
ADDBX,AX
AX+BX——>BX
0091H
SUBAX,BX
AX—BX——>AX
00A4H
INCAX
AX+1——>AX
00B0H
ANDAX,BX
AX∧BX——>AX
00C4H
ANDBX,AX
AX∧BX——>BX
00C1H
NOTAX
Not(AX)——>AX
00D0H
JMPXXXXH
XXXXH低8位——>PC
0008H,XXXXH
ROLAX
AX循环左移一位
00F0H
RORAX
AX循环右移一位
00E0H
OUTDISP,CX
CX——>DISP
0046H
注:
KIN表示开关输入单元,DISP表示显示输出单元,[XXXXH]表示存储地址XXXXH中的数据。
机器指令的执行过程如下:
首先将指令在外存储器的地址送上地址总线,然后将该地址上的指令传送至指令寄存器,这就是“取指”过程。
之后必须对操作码进行P1测试,根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位,使下一条微指令指向相应的微程序首地址,这就是“译码”过程(其原理见图8)。
然后才顺序执行该段微程序,这是真正的指令执行过程。
在所有机器指令的执行过程中,“取指”和“译码”是必不可少的,而且微指令执行的操作也是相同的,这些微指令称为公用微指令,对应于图9中01、02、75地址(8进制)的微指令。
75地址为“译码”微指令,该微指令的操作为P
(1)测试,测试结果出现多路分支。
本实验用指令寄存器的前4位(I7-I4)作为测试条件,出现12路分支,占用12个固定微地址单元。
如I7—I4相同,则还需进行P2测试,以指令寄存器的I3、I2位作为测试条件,以区分不同的指令,如MOV指令和IN、OUT指令。
三、设计的指令系统
1、指令
000049INBXKIN
010021MOV[0001H]BX
020001
030049INBXKIN
040021MOV[0000H]BX
050000
060049INBXKIN
070021MOV[0002H]BX
080002
090049INBXKIN
0A0024MOVAX[0002H]
0B0002
0C00A4SUBAXBX
0D00F0ROLAX
0E0025MOVBX[0000H]
0F0000
1000C4ANDAXBX
110025MOVBX[0001H]
120001
130091ADDBXAX
140021MOV[0001H]BX
150001
160026MOVCX[0001H]
170001
180046OUTDISPCX
190008JMP0009
1A0009
2、流程图
(1)INBXKIN
(2)MOV[0001H]BX
(3)INBXKIN
(4)MOV[0000H]BX
(5)INBXKIN
(6)MOV[0002H]BX
(7)INBXKIN
(8)MOVAX[0002H]
(9)SUBAXBX
(10)ROLAX
(11)MOVBX[0000H]
(12)ANDAXBX
(13)MOVBX[0001H]
(14)ADDBXAX
(15)MOV[0001H]BX
(16)MOVCX[0001H]
(17)OUTDISPCX
(18)JMP0009
1.列出指令助记符,对应的机器指令形式
2.画出指令对应的指令周期流程图
四、微指令格式及各字段格式
微程序设计的关键技术之一是处理好每条微指令的下地址,以保证程序正确高效地进行。
本系统采用分段编码的指令格式,采用断定方式确定下一条微指令的地址。
每条微指令由24位组成,
其控制位顺序如下:
24
23
22
21
20
19
18
17
16
151413
121110
987
6
5
4
3
2
1
S3
S2
S1
S0
M
Cn
WE
1A
1B
F1
F2
F3
uA5
uA4
uA3
uA2
uA1
uA0
S3S2S1S0MCn为运算器的方式控制,WE为外部器件的读写信号,‘1’表示写,‘0’表示读;1A、1B用于选通外部器件;微指令中的uA5-uA0为6位的后续微地址。
F1、F2、F3三个字段的编码方案如表2:
表2F1、F2、F3编码方案
F1字段
F2字段
F3字段
151413
选择
121110
选择
987
选择
000
LRi
000
RAG
000
P1
001
LOAD
001
ALU-G
001
AR
010
LDR2
010
RCG
010
P3
011
自定义
011
自定义
011
自定义
100
LDR1
100
RBG
100
P2
101
LAR
101
PC-G
101
LPC
110
LDIR
110
299-G
110
P4
111
无操作
111
无操作
111
无操作
五、编写每条指令对应的微程序
000049INBXKIN
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
24000000000111111100010101007F15
27000000011000111111000001018FC1
01000000000101101101000010005B42
010021MOV[0001H]BX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
400000001101111001110000010379C1
01000000000101101101000010005B42
020001
030049INBXKIN
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
24000000000111111100010101007F15
27000000011000111111000001018FC1
01000000000101101101000010005B42
040021MOV[0000H]BX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
400000001101111001110000010379C1
01000000000101101101000010005B42
050000
060049INBXKIN
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
24000000000111111100010101007F15
27000000011000111111000001018FC1
01000000000101101101000010005B42
070021MOV[0002H]BX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
400000001101111001110000010379C1
01000000000101101101000010005B42
080002
090049INBXKIN
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
24000000000111111100010101007F15
27000000011000111111000001018FC1
01000000000101101101000010005B42
0A0024MOVAX[0002H]
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
41000000010000111111000001010FC1
01000000000101101101000010005B42
0B0002
0C00A4SUBAXBX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
320000000001000001111011000041EC
540000000000101001111011010029ED
550110000000000011110000016003C1
01000000000101101101000010005B42
0D00F0ROLAX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
370011000000000001111110013001F9
71000100000111110111111010107DFA
72000000000000110111000001000DC1
01000000000101101101000010005B42
0E0025MOVBX[0000H]
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
41000000010000111111000001010FC1
01000000000101101101000010005B42
0F0000
1000C4ANDAXBX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
340000000001000001111100110041F6
630000000000101001111101010029F5
65101110000000001111000001B803C1
01000000000101101101000010005B42
110025MOVBX[0001H]
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
41000000010000111111000001010FC1
01000000000101101101000010005B42
120001
130091ADDBXAX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
310000000001000001111010100041EA
520000000000101001111010110029EB
531001010000000011110000019403C1
01000000000101101101000010005B42
140021MOV[0001H]BX
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005B47
07000000010101111111100101015FE5
45000000000111111100100000007F20
400000001101111001110000010379C1
01000000000101101101000010005B42
150001
160026MOVCX[0001H]
01000000000101101101000010005B42
02000000010110111111111101016FFD
75000000010110111000010000016E10
22000000000101101101000111005
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