CPU组成与机器指令执行周期实验.docx

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CPU组成与机器指令执行周期实验

一、实验目的

1.将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机。

2.用微程序控制器控制模型计算机的数据通路。

3.通过TEC-5执行由8条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。

二、实验电路

本次实验将前面几个实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、微程序控制器等模块组合在一起，构成一台简单的模型机。

因此，在基本实验中，这是最复杂的一个实验，也将是最有收获的一个实验。

在前面的实验中，实验者本身作为“控制器”，完成了对数据通路的控制。

而在本次实验中，数据通路的控制将交由微程序控制器来完成。

TEC-5从内存中取出一条机器指令到执行指令结束的一个指令周期，是由微程序完成的，即一条机器指令对应一个微程序序列。

三、实验设备

1.TEC-5计算机组成原理实验系统1台

2.逻辑测试笔一支（在TEC-5）上

3.双踪示波器一台（公用）

4.直流万用表一只（公用）

四、实验任务

1.对机器指令组成的简单程序进行译码。

将下表的程序按机器指令格式手工汇编成二进制机器代码，此项任务请在预习时完成。

2.按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，工作量大概是：

控制台、时序

部件、数据通路和微程序控制器之间的连线。

控制器是控制部件，数据通路是执行部件，时序发生器是时序部件。

注意通用寄存器堆RF的RD1、RD0、RS1、RS0、WR1、WR0与IR3-IR0间的连线。

3.将任务1中的程序代码用控制台指令存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7－SW0设置通用寄存器的数据。

注意：

由于设置通用寄存器时会破坏存储器单元的数据，因此应先设置寄存器中的数据，再设置存储器中的程序和数据。

要求使用两组寄存器数据，一组寄存器数据在执行ADDR1,R0指令时产生进位，一组寄存器数据在执行ADDR1,R0指令时不产生进位，以观察同一程序程序的不同执行流程。

4.用单拍（DP）方式执行一遍程序，记录最后得到的四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值比较。

执行时注意观察各个指示灯的显示，以跟踪程序执行的详细过程（可观察到每一条微指令的执行过程）。

5.用连续方式再次执行程序。

这种情况相当于计算机正常的工作。

程序执行到STP指令后自动停机。

读出寄存器中的运算结果，与理论值比较。

五、实验要求

1.务必做好实验预习，这样在实验中才能做到头脑清醒、思路清晰、忙而不乱、心中有数。

2.根据实验任务的要求，预习时做好必要的准备，填好相关表格、数据和理论分析值，以便与实验值对照。

3.本次实验接线较多，务必仔细，以免因接线错误导致控制出错，影响实验进度。

4.写出实验报告，内容是：

（1）实验目的。

（2）实验任务1－5中的数据表格。

（3）值得讨论的其他问题。

六、实验步骤和实验结果

（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。

（2）接线

本实验接线比较多，需仔细。

接线表

只要把上表中同列的信号用线连接即可，一共接线33条。

接好线后，将编程开关拨到“正常位置”。

合上电源，按CLR#按钮，使TEC-5实验实验系统处于初始状态。

（3）存程序代码，设置通用寄存器R0、R1、R2和R3的第一组值及存储器相关单元的数据。

本组的寄存器数据是R0=35H，R1=43H，R2=10H，R3=07H。

存储器10H单元的内容为55H。

选择这组数据的目的是执行ADDR1,R0指令时不产生进位C，从而在执行JCR3指令时不产生跳转，而是顺序执行。

●设置通用寄存器R0、R1、R2和R3的值

在本操作中，我们打算使R0=35H，R1=43H，R2=10H，R3=07H

1．令DP=0，DB=0，使系统处于连续运行状态。

令SWC=0，SWB=1，SWA=1，使系统处于写寄存器状态WRF。

按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。

2．在SW7—SW0上设置一个存储器地址，该存储器地址供设置通用寄存器使用。

该存储器地址最好是不常用的一个地址，以免设置通用寄存器操作破坏重要的存储器单元的内容。

例如可将该地址设置为FFH。

按一次QD按钮，将FFH写入左端口地址寄存器AR。

3．在SW7—SW0上设置00H，作为通用寄存器R0的寄存器号。

按一次QD按钮，将00H写入指令寄存器IR。

4．在SW7—SW0设置35H，按一次QD按钮，将35H写入IR指定的R0寄存器。

5．在SW7—SW0上设置01H，作为通用寄存器R1的寄存器号。

按一次QD按钮，将01H写入指令寄存器IR。

6．在SW7—SW0设置43H，按一次QD按钮，将43H写入IR指定的R1寄存器。

7．在SW7—SW0上设置02H，作为通用寄存器R2的寄存器号。

按一次QD按钮，将02H写入指令寄存器IR。

8．在SW7—SW0设置10H，按一次QD按钮，将10H写入IR指定的R2寄存器。

9．在SW7—SW0上设置03H，作为通用寄存器R3的寄存器号。

按一次QD按钮，将03H写入指令寄存器IR。

10.在SW7—SW0设置07H，按一次QD按钮，将07H写入IR指定的R3寄存器。

设置寄存器内容完毕。

按CLR#按钮，使系统恢复到初始状态。

注意：

设置完R0、R1、R2、R3的值后，最好用读寄存器控制台操作检查一下写入的内容是否正确。

读寄存器内容的控制台操作见第一章的第七部分控制台。

●存程序机器代码

本操作中，我们从00地址开始存8个机器代码：

01H，5CH，39H，4AH，22H，1EH，78H，60H。

在10H单元存入55H，作为10H单元的初值，以检查LDA和STA两条指令的作用。

1．令DP=0，DB=0，使实验系统处于连续运行状态。

令SWC=0、SWB=0、SWA=1，使实验系统处于写双端口存储器工作方式WRM。

按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。

2．置SW7—SW0为00H，按QD按钮，将00H写入左端口地址寄存器AR。

3．置SW7—SW0为01H，按QD按钮，将01H写入存储器00H单元。

AR自动加1，变为01H。

4．置SW7—SW0为5CH，按QD按钮，将5CH写入存储器01H单元。

AR自动加1，变为02H。

5．置SW7—SW0为39H，按QD按钮，将39H写入存储器02H单元。

AR自动加1，变为03H。

6．置SW7—SW0为4AH，按QD按钮，将4AH写入存储器03H单元。

AR自动加1，变为04H。

7．置SW7—SW0为22H，按QD按钮，将22H写入存储器04H单元。

AR自动加1，变为05H。

8．置SW7—SW0为1EH，按QD按钮，将1EH写入存储器05H单元。

AR自动加1，变为06H。

9．置SW7—SW0为78H，按QD按钮，将78H写入存储器06H单元。

AR自动加1，变为07H。

10．置SW7—SW0为60H，按QD按钮，将60H写入存储器07H单元。

AR自动加1，变为08H。

11．按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。

12．置SW7—SW0为10H，按QD按钮，将10H写入左端口地址寄存器AR。

13．置SW7—SW0为55H，按QD按钮，将55H写入存储器10H单元。

AR自动加1，变为11H。

往存储器输入程序和数据结束，按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。

注意：

设置完存储器的程序和数据后，最好用存储器器控制台操作检查一下写入的内容是否正确。

读存储器内容的控制台操作见第一章的第七部分控制台。

●用单拍（DP）方式执行一遍程序。

置SWC=0,SWB=0,SWA=0,DP=1,DB=0,使实验系统处于单拍运行状态。

置SW7—SW0=00H，使程序从地址00H开始执行。

按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态，然后一次一次按QD按钮，使程序一拍一拍的执行。

在单拍执行过程中，首先要随时监测AR、PC、μA5—μA0和IR的值，以判定程序执行到何处，正在执行哪条指令和微指令。

对照微程序流程图，可以判断出微指令的地址和正在进行的微操作。

程序执行的结果如下：

初值：

R0=35H，R1=43H，R2=10H，R3=07H。

存储器10H单元的内容为55H。

1．ADDR1,R0

执行结果R0=35H，R1=78H，R2=10H，R3=07H。

存储器10H单元的内容为（）。

无进位C。

2．JCR3

执行结果R0=35H，R1=78H，R2=10H，R3=07H。

存储器10H单元的内容为（）。

PC为（）。

进位C不变。

3．STAR1,[R2]