计算机原理实验四 CPU与简单模型机设计实验 操作步骤

5.1 CPU与简单模型机设计实验

5.1.1 实验目的

(1) 掌握一个简单CPU的组成原理。

(2) 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。 (3) 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。

5.1.2 实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

5.1.3 实验原理

本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图5-1-1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

ARALUABPCIRR0控制器 图5-1-1 基本CPU构成原理图

除了程序计数器（PC），其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统的程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD芯片中 。CLR连接至CON单元的总清端CLR，按下CLR按钮，将使PC清零，LDPC和T3相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU内总线上的数据打入PC。

CPU内总线B7...B0...B7...B0三态门...Q7...Q0计数器LD7...D0...B7...B0CPU内总线LDPCT3CLRLOADPC_B

图5-1-2 程序计数器(PC)原理图

本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下（高４位为操作码）：

助记符INADDOUTJMP addrHLT机器指令码0010 00000000 00000011 00001110 0000 ********0101 0000说明IN R0R0 + R0 R0R0 OUTaddr PC停机

其中JMP为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。根据以上要求，设计数据通路图，如图5-1-3所示。

本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表5-1-1所示。

图5-1-3 数据通路图 表5-1-1 微指令格式

23M2322M2221201918-15WRRDIOMS3-S014-12A字段11-9B字段8-6C字段5-0MA5-MA0A字段140000111113001100111201010101选择NOPLDALDBLDR0保留LOADLDARLDIR1100001111B字段10001100119选择0NOP1ALU_B0R0_B1保留0保留1保留0PC_B1保留800001111C字段700110011601010101选择NOPP<1>保留保留保留LDPC保留保留

系统涉及到的微程序流程见图5-1-4所示，当拟定?取指?微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1>测试。指令译码原理见图3-2-3所示，由于?取指?微指令是所有微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。本机用指令寄存器的高6位

（IR7—IR2）作为测试条件，出现５路分支，占用５个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16进制。

00NOP01PC->ARPC加103MEM->IR30P<1>ADD30IN32OUT33HLT35JMP3CR0->A04IN->R0R0->OUTNOPPC->ARPC加11DR0->B05010135MEM->PCA加B->R00101

图5-1-4 简单模型机微程序流程图

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表5-1-2即为将图5-1-4的微程序流程图按微指令格式转化而成的?二进制微代码表?。

表5-1-2 二进制微代码表

地址 十六进制 高五位 S3-S0 A字段 B字段 C 字段 MA5-MA0 00 01 03 04 05 1D 30 32 33 35 3C

设计一段机器程序，要求从IN单元读入一个数据，存于R0，将R0和自身相加，结果存于R0，再将R0的值送OUT单元显示。

根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。

地 址 内 容 助记符 说 明

00000000 00100000 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 00000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 00000010 00110000 ; OUT R0

R0的值送OUT单元显示

00 00 01 00000 0000 00 6D 43 00000 0000 10 70 70 00010 0000 00 24 05 00000 0000 04 B2 01 00000 1001 10 51 41 00010 0000 00 14 04 00000 0000 18 30 01 00011 0000 28 04 01 00101 0000 00 00 35 00000 0000 00 6D 5D 00000 0000 000 110 111 010 011 101 001 011 000 000 110 000 110 000 010 001 000 010 000 010 000 110 000 101 001 000 000 101 000 000 000 000 101 000001 000011 110000 000101 000001 000001 000100 000001 000001 110101 011101 00000011 11100000 ; JMP START 跳转至00H地址 00000100 00000000 ;

00000101 01010000 ; HLT

停机

5.1.4 实验步骤

1. 按图5-1-5连接实验线路。

2. 写入实验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入。 1) 手动写入和校验 (1) 手动写入微程序

① 将时序与操作台单元的开关KK1臵为‘停止’档，KK3臵为‘编程’档，KK4臵为‘控存’档，KK5臵为‘臵数’档。

② 使用CON单元的SD05——SD00给出微地址，IN单元给出低8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的低8位。

③ 将时序与操作台单元的开关KK5臵为‘加1’档。

④ IN单元给出中8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的中8位。IN单元给出高8位应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元的高8位。

⑤ 重复①、②、③、④四步，将表5-1-2的微代码写入2816芯片中。

时序与操作台单元CLK030HZ......LDPCPC_BMC单元LDPCPC_BD0TS4T1...............ALU_BLDALDBALU_BLDALDBS3S0...IN7IN0...T4控制总线XMWRXMRDXIOWXIOR...S0RS_BLDRi......WRRDIOMWRRDIOMOUT7S3.........TS1OUT0LDR0D0ALU®单元LDIRP<1>D7D0...R0_BD7...LOADLDARPC&AR单元LOADD7LDAR......LDIRD7......RDIN_BP<1>.........IN单元D7SE0WRWRRDMEM单元...D0SE5SE5SE0IR单元............D0LED_BOUT单元扩展单元XD7GND...D0地址总线.....................XD0XD0数据总线D0A0...XD7D7A7XA7XA0...CPU内总线D7... 图5-1-5 实验接线图

(2) 手动校验微程序

① 将时序与操作台单元的开关KK1臵为‘停止’档，KK3臵为‘校验’档，KK4臵为‘控存’档，KK5臵为‘臵数’档。

② 使用CON单元的SD05——SD00给出微地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC单元的指数据指示灯 M7——M0显示该单元的低8位。

③ 将时序与操作台单元的开关KK5臵为‘加1’档。 ④ 连续两次按动时序与操作台的开关ST，MC单元的指数据指示灯 M15——M8显示该单元的中8位，MC单元的指数据指示灯 M23——M16显示该单元的高8位。

⑤ 重复①、②、③、④四步，完成对微代码的校验。如果校验出微代码写入错误，重新写入、校验，直至确认微指令的输入无误为止。

(1) 手动写入机器程序

① 将时序与操作台单元的开关KK1臵为‘停止’档，KK3臵为‘编程’档，KK4臵为‘主存’档，KK5臵为‘臵数’档。

② 使用CON单元的SD07——SD00给出地址，IN单元给出该单元应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该存储器单元。

③ 将时序与操作台单元的开关KK5臵为‘加1’档。

④ IN单元给出下一地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，将IN单元的数据写到该单元中。然后地址会又自加1，只需在IN单元输入后续地址的数据，连续两次按动时序与操作台的开关ST，即可完成对该单元的写入。

⑤ 亦可重复①、②两步，将所有机器指令写入主存芯片中。 (2) 手动校验机器程序

①将时序与操作台单元的开关KK1臵为‘停止’档，KK3臵为‘校验’档，KK4臵为‘主存’档，KK5臵为‘臵数’档。

② 使用CON单元的SD07——SD00给出地址，连续两次按动时序与操作台的开关ST，CPU内总线的指数据指示灯 D7——D0显示该单元的数据。

③ 将时序与操作台单元的开关KK5臵为‘加1’档。

④ 连续两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加1，CPU内总线的指数据指示灯 D7——D0显示该单元的数据。此后每两次按动时序与操作台的开关ST，地址自动加1，CPU内总线的指数据指示灯 D7——D0显示该单元的数据，继续进行该操作，直至完成校验，如发现错误，则返回写入，然后校验，直至确认输入的所有指令准确无误。

⑤ 亦可重复①、②两步，完成对指令码的校验。如果校验出指令码写入错误，重新写入、校验，直至确认指令码的输入无误为止。

2) 联机写入和校验

联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：

机器指令格式说明:$PXXXX机器指令代码十六进制地址机器指令标志微指令格式说明:$MXXXXXXXX微指令代码十六进制地址微指令标志

本次实验程序如下，程序中分号‘；’为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉：

; //*************************************** // ; // // ; // CPU与简单模型机实验指令文件 // ; // // ; // By TangDu CO.,LTD // ; // // ; //*************************************** //

; //****** Start Of Main Memory Data ****** //

$P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ;

$P 05 50 ; HLT 停机

; //******* End Of Main Memory Data ******* //

; //**** Start Of MicroController Data **** // $M 00 000001 ; NOP

$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B

$M 05 04B201 ; A加B->R0 $M 1D 105141 ; MEM->PC $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP

$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1

; //** End Of MicroController Data **//

选择联机软件的?【转储】—【装载】?功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。

选择联机软件的?【转储】—【刷新指令区】?可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的‘微存’TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。

3. 运行程序

方法一：本机运行

将时序与操作台单元的开关KK1、KK3臵为‘运行’档，按动CON单元的总清按钮CLR，将使程序计数器PC、地址寄存器AR和微程序地址为00H，程序可以从头开始运行，暂存器A、B，指令寄存器IR和OUT单元也会被清零。

将时序与操作台单元的开关KK2臵为‘单步’档，每按动一次ST按钮，即可单步运行一条微指令，对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。每运行完一条微指令，观测一次CPU内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确。

当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍，按下CON单元的总清按钮CLR，改变IN单元的值，再次执行机器程序，从OUT单元显示的数判别程序执行是否正确。

方法二：联机运行

将时序与操作台单元的开关KK1和KK3臵为‘运行’档，进入软件界面，选择菜单命令?【实验】—【简单模型机】?，打开简单模型机数据通路图。

按动CON单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

$P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ;

$P 05 50 ; HLT 停机

; //******* End Of Main Memory Data ******* //

; //**** Start Of MicroController Data **** // $M 00 000001 ; NOP

$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B

$M 05 04B201 ; A加B->R0 $M 1D 105141 ; MEM->PC $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP

$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1

; //** End Of MicroController Data **//

选择联机软件的?【转储】—【装载】?功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。

选择联机软件的?【转储】—【刷新指令区】?可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的‘微存’TAB按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。

3. 运行程序

方法一：本机运行

将时序与操作台单元的开关KK1、KK3臵为‘运行’档，按动CON单元的总清按钮CLR，将使程序计数器PC、地址寄存器AR和微程序地址为00H，程序可以从头开始运行，暂存器A、B，指令寄存器IR和OUT单元也会被清零。

将时序与操作台单元的开关KK2臵为‘单步’档，每按动一次ST按钮，即可单步运行一条微指令，对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。每运行完一条微指令，观测一次CPU内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确。

当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍，按下CON单元的总清按钮CLR，改变IN单元的值，再次执行机器程序，从OUT单元显示的数判别程序执行是否正确。

方法二：联机运行

将时序与操作台单元的开关KK1和KK3臵为‘运行’档，进入软件界面，选择菜单命令?【实验】—【简单模型机】?，打开简单模型机数据通路图。

按动CON单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数是否为IN单元值的2倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

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