计算机系统实验.docx
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计算机系统实验
计算机系统实验（硬件）
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2014年3月23日
目录
1实验目的1
2嵌入式CISC模型机数据通路框图1
3操作控制器的逻辑框图1
4模型机的指令格式和指令系统2
4.1、指令格式2
4.2、数据格式3
4.3、指令系统3
5时序产生器电路4
6微程序流程图5
7操作控制器单元的设计5
11时序仿真波形图10
12故障现象和故障分析12
13心得体会13
14软件清单13
14.1、运算器和状态条件寄存器单元13
14.2、通用寄存器单元LS27316
14.3、地址寄存器单元LS27316
14.4、指令寄存器单元LS27316
14.5、1：
2分配器FEN216
14.6、2选1数据选择器单元MUX217
14.7、4选1数据选择器单元MUX418
14.8、4选1数据选择器单元MUX4_119
14.9、程序计数器单元PC20
14.10、主存储器单元22
14.11、时序产生器单元COUNTER24
14.12、操作控制单元CROM26
1实验目的
采用定长CPU周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下：
连续输入5个有符号整数（8位二进制补码表示）存入RAM的连续存储区域，再从RAM中依次读出这5个数，求最大负数的绝对值并输出显示。
2嵌入式CISC模型机数据通路框图
图1模型机数据通路框图
3操作控制器的逻辑框图
图2操作控制器的逻辑框图
说明：
在T4内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在T2的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。
4模型机的指令格式和指令系统
4.1、指令格式
CISC模型机的指令系统采用简单指令的格式，大部分操作都在寄存器间进行，指令长度不超过两种，两到三种寻址方式。
本人的指令系统长度采有用定长8位，寻址方式包括立即数寻址、寄存器寻址、寄存器间址三种寻址方式。
为了完成题目功能，该指令系统包括共11条指令，如下所示。
IN：
输入到目的寄存器；
CMP：
寄存器中的数或地址偏移量和立即数进行比较并置状态寄存器FZ，FC，FS值，锁存；
CMP1：
源寄存器中的数和目的寄存器中的数进行比较并置状态寄存器FZ，FC，FS值，锁存；
MOV：
将一个数送入目的寄存器；
MOV1：
将源寄存器中的数据存储到目的寄存器所指向的地址单元；
MOV2：
将源寄存器所指向的地址单元中的数送入目的寄存器；
MOV3：
将源寄存器中的数送入目的寄存器；
INC：
将目的寄存器地址自加一；
JB：
有条件转移指令，是对数据进行判断（小于的时候转移），判断状态寄存器中FC，FZ的值，若FC=1，FZ=0（表示在上一条指令中，比较的结果为小于），则根据地址转移到指定行，其他值则顺序执行。
JMP：
无条件跳转指令，语句执行后跳转到所指单元。
SUB：
将立即数与目标寄存器中的数进行相减，并存入目标寄存器中。
OUT：
输出到LED。
（1）I/O指令
输入（IN）指令采用单字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
××
Rd
输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
Rs
××
说明：
Rs只源寄存器，Rd只目的寄存器。
（2）转移指令
条件转移指令（JB）和无条件转移指令（JMP）采用双字节指令，其格式如下：
7654
3210
操作码
××××
地址
说明：
“地址”中的值就是要转移的地址值。
（3）MOV1,MOV2和MOV3指令
这三类指令采用单字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
Rs
Rd
（4）MOV指令
MOV指令采用双字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
（5）自增指令
自增1指令（INC）采用单字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
××
Rd
（6）CMP1指令
比较指令（CMP1）采用单字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
Rs
Rd
（7）CMP指令
比较指令（CMP）采用双字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
（8）SUB指令
相减指令（SUB）采用双字节指令，其格式如下：
7654
32
10
操作码
××
Rd
立即数
（9）对Rs和Rd的规定：
Rs或Rd
选定的寄存器
00
R0
01
R1
10
R2
4.2、数据格式
模型机规定数据的标识采用定点整数补码表示，且字长为8位，其格式如下：
7
6543210
符号位
尾数
4.3、指令系统
本模型机共有12条指令，下表列出了每条指令的格式、汇编符号和指令功能。
表1-112条助记符号、指令格式和功能
助记符号
指令格式
功能
INRd
0100
××
Rd
将数据存到Rd寄存器
MOVdata,Rd
0101
××
Rd
data
（data）->Rd
MOV1Rs,[Rd]
0110
Rs
Rd
（Rs）→[Rd]
MOV2[Rs],Rd
0111
Rs
Rd
（[Rs]）→Rd
MOV3Rs,Rd
1000
Rs
Rd
（Rs）→Rd
INCRd
1001
××
Rd
（Rd）+1→Rd
OUTRs
1111
Rs
××
（Rs）→LED
CMPdata,Rd
1010
××
Rd
data
（Rd）-data,锁存CY和ZI
CMP1Rs,Rd
1011
Rs
Rd
（Rs）-（Rd）,锁存CY和ZI
SUBdata,Rd
1110
××
Rd
data
（data）-（Rd）->Rd
JMPaddr
1101
××××
addr
addr→PC
JBaddr
1100
××××
addr
若小于，则addr→PC
5时序产生器电路
CISC微处理器的时钟信号Q和清除信号CLR由外部输入，节拍脉冲信号Ti由时序产生器产生。
图5-1描述了节拍脉冲信号与外部时钟信号、清除信号的时序关系。
同时可以看出，节拍脉冲信号T1、T2、T3、T4实际上是以Q为时钟输入信号的计数器状态经译码器译码后生成的。
T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图3。
图3T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图
6微程序流程图
图4机器指令微程序流程图
7操作控制器单元的设计
（1）设计微指令格式和微指令代码表（编入到crom的controm里面）
该系统使用的微指令采用全水平型微指令，字长为29位，其中微命令字段为21位，P字段为2位，后继微地址为6位，格式为：
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
RAM_B
RAM_WR
RAM_CS
PC_B
LOAD
LDPC
LDAR
LDIR
LDRi
RD_B
RS_B
S1
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
543210
S0
ALU_B
LDAC
LDDR
WR
CS
SW_B
LED_B
LDFR
P1
P2
后继微地址
表1-2微指令代码表
微地址
微命令字段（28-8）
P1
P2
后继微
000000
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
000001
000001
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
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0
1
0
000000
000010
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
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0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
000000
000011
1
0
0
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0
1
0
0
0
1
0
0
1
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1
1
0
0
0
000000
000100
1
1
1
1
1
0
0
0
1
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0
0
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0
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0
000000
000101
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1
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0
1
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0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
000010
000110
1
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0
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0
0
0
000011
000111
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0
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1
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0
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0
0
0
1
0
0
1
1
1
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0
0
0
010000
001000
1
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1
0
0
0
1
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0
0
1
0
0
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1
1
1
0
0
0
000000
001001
1
1
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1
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0
0
0
0
0
1
0
0
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0
0
0
010001
001010
1
1
1
1
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0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
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0
0
0
010010
001011
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1
1
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0
0
0
1
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0
0
1
1
0
1
1
1
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0
0
010011
001100
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
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1
1
0
0
1
100000
001101
1
1
1
1
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0
0
1
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0
0
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0
0
1
1
1
1
0
0
0
010100
001110
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0
0
1
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0
0
1
0
0
1
1
1
1
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0
010101
001111
1
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0
1
0
0
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