计算机组成原理实验8报告.docx
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计算机组成原理实验8报告
实验八、复杂模型机组成原理实验
1、模型结构:
模型机结构框图
图中运算器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的其他部分都由EP1K10集成。
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缓冲芯片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,数据可由键盘或上位机输入,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。
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,只有低八位有效。
2、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,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--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
OP-CODE
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
指令
CLR
MOV
ADD
SUB
INC
AND
NOT
ROR
ROL
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
选定寄存器
00
Ax
01
Bx
10
Cx
(2)存储器访问及转移指令
存储器的访问有两种,存数和取数。
它们都使用助记符MOV,但操作码不同。
转移指令只有一种,及无条件转移(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的不同其定义也不同,如下表所示:
操作码表
OP-CODE
00
01
10
指令说明
写存储器
读存储器
转移指令
寻址模式表
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
(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:
操作码表
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,将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。
3、指令系统:
本实验共有十四条基本指令,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。
下表列出了各条指令的格式,汇编符号和指令功能。
4、设计微代码:
设计三个控制操作微程序:
存储器读操作(MRD):
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“00”时,按“单步”键,可对RAM连续读操作。
存储器写操作(MWE):
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“10”时,按“单步”键,可对RAM连续写操作。
启动程序(RUN):
拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后,指令译码输入CA1、CA2为“11”时,按“单步”键,即可转入到第01号“取指”微指令,启动程序运行。
本系统设计的微程序字长共24位,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
F1、F2、F3三个字段的编码方案如下表:
F1字段
F2字段
F3字段
151413
选择
121110
选择
987
选择
000
LDRi
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
流程图:
三、实验参考代码:
4、实验内容:
本实验完成的是计算及验证实验结果,即输入开始数据,做完运算后计算结果是否正确。
计算公式:
Cx=2(Ax/2+Bx+3),观察估计结果值与实验输出结果值是否相等。
5、实验步骤:
1.连接硬件系统,电路图如图所示。
(连线时应按如下方法:
对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己横在横排插座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
)
在图上更改如下连线:
断开控制总线C1----C6和F4----F1上的接线
数据输入电路DIJ1接数据总线BD7----BD0
数据输入电路DIJ2接数据总线BD15----BD8
数据输入电路DIJ-G接I/O控制电路Y3
微控器接口UAJ1接控制开关电路UA5----UA0
脉冲源及时序电路fin接脉冲源及时序电路f/8
脉冲源及时序电路T4--T1接控制总线T4--T1
控制开关电路CA1接控制总线E4
控制总线CA2接控制总线E5
2.实验步骤:
写微代码-----读微代码并验证结构---写机器指令----读机器指令及验证机器指令----运行程序
(机器指令存放在RAM里,断电丢失,故断电后需重新输入)
本实验的机器指令程序代码如下:
Ax----11HBx----53H结果是72H
实验心得:
本次课程设计完成的是一个具有复杂运算功能的模型机。
通过构造一个指令系统,编写机器指令以实现一个较为复杂的算术运算功能,即通过输入数据,我理解了各个器件的功能与作用,微地址的使用与机器指令的设计。
由于对知识的不熟悉,实验开始时进程比较慢,遇到了许多问题,但通过前面几次的基础实验逐渐对实验的流程和实验仪器更熟悉,做实验的速度明显加快。
并且按照实验指导书提供的实验步骤,开始逐步练习,按照指导书实验八的实验步骤连接线路。
设计了机器指令之后,由于实验设备问题或是实验过程中粗心大意常常遇到一些错误,如机器代码的错误输入、实验的错误连线以及输出显示的出错等等……致使实验结果与预期的结果不相符。
通过与同学们沟通讨论,认真研究以后修改了一些相关的机器指令之后反复测试,最后得出了正确的实验结果。
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