计算机组成原理验整机实验.docx

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计算机组成原理验整机实验

系统软件的一般使用流程

在Windows环境下选中FD-CES项目组，点击FD-CES图标，其第一个画面如下图。

系统软件分为两大部分：

FD-CESAssembler和FD-CESDebugger。

前者用于编辑、汇编、反汇编等，这一部分不需连实验仪即可工作；后者用于调试、传送等，这一部分需与实验仪相连后方能工作。

一．FD-CESAssembler

FD-CESAssembler的主菜单条有如下两个选项：

File

Help

当在File选项中新建（New）或打开（Open）一个文件之后，主菜单条的选项又增加了四个：

Edit

AssembleDisAssemle

Window

每个选项都可以弹出一个下拉式菜单，其中AssembleDisAssemle选项的下拉式菜单如下图1-12示。

1．编辑

⑴编辑微指令位定义文件，文件名为BIT.DEF。

⑵编辑微程序，文件名为MOP.MID。

⑶选择主菜单条中AssembleDisAssemle选项下的“GEN”功能，将MOP.MID文件转换成MOP.DAT（数据文件）后存盘。

⑷编辑指令定义文件，文件名为INS.DEF。

⑸编辑调机程序（汇编码编写），文件名必须带有.ASM的后缀名。

以上几个文件编辑的前后次序可以颠倒，但必须遵循以下两点原则：

⑴编辑的微程序即MOP.MID为中间文件，它必须经过转换成MOP.DAT，才能传送到实验仪的控存中。

⑵．对调机程序（源程序）进行汇编前，必须先建立（编辑）指令定义文件。

1．汇编

选择主菜单条中AssembleDisAssemle选项下的“Assemble”功能，对调机程序（源程序）进行汇编，以产生相应的目标文件和列表文件。

二．FD-CESDebugger

FD-CESDebugger功能需要与的主菜单条有如下几个选项：

Structure

Load

Run

View

FD-CESDebugger功能需要与实验仪连接后方能工作，PC机与实验仪通过串行口连接，见下图。

1．选择实验计算机结构

在主菜单条中的Structure选项有八种不同结构的实验计算机可供选择。

如下图。

通过KA、KB、KC和KR四组开关可选择不同的运算器结构；除此之外，由于实验仪提供了键盘和打印机两种外部设备，因而选用或不选用外设也可构成不同的实验计算机。

下图给出了结构4的逻辑图。

2．装入

装入选项可以弹出一个下拉式菜单，如下图。

利用本选项中的“Program”和“MicroProgram”项分别将编辑、汇编之后的调机程序（.OBJ文件）和编辑、转换为数据型文件的微程序（.DAT）传送到内存和控存中，利用本选项中的“BitDefinition”项将微指令定义文件（BIT.DEF）装入内存。

3．运行

运行选项可以弹出一个下拉式菜单，如下图。

利用此选项可以在PC机上调试实验计算机。

选择本选项中的Startat，从PC机键盘输入起始地址，然后选择该项中的Step（单步方式）或Run（连续方式）运行调机程序。

也可以直接使用控制台面板控制运行程序。

以上三项工作次序不能颠倒，由于在软件中采用依次锁定的措施，故前一项工作未做，后一项无法执行。

在执行时，注意以下几点：

⑴所选结构必须与实验仪上八个选择开关一致。

⑵传送调机程序及微程序时，请注意M/CM开关应与实际情况相对应，另外需输入起始地址。

⑶若要观察单步运行时各微操作之有效性，务必将M/CM开关置于右侧。

实验计算机的设计

利用FD-CES-B实验仪提供的硬件资源（基本功能模块、控制台及外设等），设计一台微程序控制的实验计算机。

一．实验内容

设计一台具有16条指令的微程序控制的实验计算机。

二．设计要求

⑴具有键盘和打印机两种外部设备；

⑵运算器采用多累加器结构或单累加器多寄存器结构；

⑶指令系统具有16条指令；

⑷外设和主存统一编址,当：

a10=0，访问主存；

a10=1，访问外设。

⑸操作数寻址方式有：

∙寄存器直接寻址；

∙寄存器间接寻址；

∙直接寻址；

∙立即数寻址；

∙相对寻址；

∙间接寻址；

∙寄存器变址寻址。

三．设计目的

⑴了解多累加器或单累加器多寄存器结构计算机的特点；

⑵了解几种寻址方式的控制过程；

⑶掌握微程序控制的计算机的设计方法，加深了解微程序的特点；

⑷通过设计和调试了解计算机如何执行指令，如何控制I/O设备工作。

四．设计步骤

1．确定设计总要求

见设计要求，建议采用多累加器结构（KA、KB、KC、KR分别置于右、左、左、上）。

2．设计整机逻辑框图

根据设计要求，对实验仪硬件资源（各模块）进行逻辑剪辑组合，设计出实验计算机的整机逻辑框图。

为利于调试，应在逻辑图上标明各器件的控制信号及必要的输出信号。

2．设计指令系统

确定实验计算机的指令系统具体由哪些指令组成，包括哪几种类型，指令操作数有哪几种寻址方式，以及指令编码等。

指令系统通常应包含以下几种类型：

⑴算术/逻辑运算类指令；

⑵移位操作类指令；

⑶数据传送类指令；

⑷程序控制类指令；

⑸存储器操作类指令；

⑹输入/输出类指令。

假设某机的指令格式和功能如下表所列。

指令

助记符

指令编码

指令

字节数

指令操作

功能

76543210

ADDA,Ai

000000Ai

单

（A）+（Ai）→A

SUBA,Ai

000001Ai

单

（A）-（Ai）→A

MOVA,@Ai

001000Ai

单

（I2I1I0（Ai））→A

MOVA,Ai

010000Ai

单

（Ai）→A

MOVAi,A

010001Ai

单

（A）→Ai

MOVA,#data

01100000

data

双

Data→A

MOVAi,#data

011001Ai

data

双

Data→Ai

LDA,addr

10000a10a9a8

a7～a0

双

（addr）→A

STA,addr

10100a10a9a8

a7～a0

双

（A）→addr

RLCA

11000000

单

C、A左环移一位

RRCA

11000100

单

C、A右环移一位

JZaddr

111000a9a8

a7～a0

双

若标志Z=1,addr→PC

JCaddr

111010a9a8

a7～a0

双

若标志C=1,addr→PC

JA0addr

111100a9a8

a7～a0

双

若（A0）=1,addr→PC

JMPaddr

111110a9a8

a7～a0

双

Addr→PC

HALT

11111111

单

置“0”RUN触发器

3．设计指令执行流程

根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程。

对于微程序控制的计算机设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含微操作的必要性和合理性，防止微操作之间有时序冲突，为此要分析：

哪些微操作信息可以安排在同一条微指令中；

哪些微操作信息必须安排在同一条微指令中；

哪些微操作信息不能安排在同一条微指令中。

另外，还应记住：

总线IAB、IDB、OAB、ODB仅是传输信息的通路而已，无寄存信息的功能；利用总线传输信息时要保证信息的唯一性（即不允许有一个以上的器件向总线发送信息）；ALU的输出缓冲器BUFFER仅是三态传输门电路，无寄存功能。

下面我们举几个例子说明指令流程。

注：

箭头表示数据信息流向，横线上信号为所须的控制信息。

例1：

单字节指令ADDA,Ai

该指令功能为（A）+（Ai）→A，需执行如下微操作：

①（PC）──→IAB──→OAB；根据PC访问内存

②（M）──→ODB──→IDB──→IR1；取本指令字节送IR1

③（PC）+1──→PC；PC加1，为取下条指令字节准备

④A──→BUFFER→IDB──→ACT；读A，送ACT，为ALU准备好被加数

⑤（Ai）───→IDB──→TMP；读Ai，送TMP，为ALU准备好加数

⑥（ACT）+（TMP）─────────→A；ALU执行加法，结果存A

⑦Cn+4───→CY；据加法结果置进位标志CY

例2：

双字节指令LDAaddr

该指令的功能为（addr）→A，需执行如下微操作：

①（PC）──→IAB──→OAB；根据PC访问内存

②（M）──→ODB──→IDB──→IR1；取出指令第一字节送IR1

③（PC）+1──→PC；PC加1，为取下条指令字节准备

④（PC）──→IAB──→OAB；根据PC访问内存

⑤（M）──→ODB──→IDB──→IR2；取出指令第二字节送IR2

⑥（PC）+1──→PC；PC加1，为取下条指令字节准备

⑦I2I1I0（IR2）──→IAB──→OAB；由IR1低3位和IR2的8位形成11位

；操作数地址

⑧（M）──→ODB──→IDB──→TMP；从内存中读出操作数送TMP

⑨（TMP）────────────→A；TMP内容经ALU传送，存入A

根据总体的逻辑框图和各模块的控制信号可以写出各条指令的微操作。

下表列出部分指令的微操作时间表。

指令助记符

节拍

微操作

控制信号

有效电平

取指微指令

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→IR1

（PC）+1→PC

（MD）→MPC*

PCO,B1

RC,B2,B3,CI,GI

P+1,CK

MLD

0,0

0,0,0,↑,0

1,↓

ADDA,Ai

（A）→BUFFER→IDB→ACT

OB,CC,CG

0,↑,0

（ACT）+（Ai）→A

置Cy

RR,A,B,CT,OT

Cn,M,S3,S2,S1,S0

X0,X1,CA

SA,SB,CP

0,I1,I0,1,0

1,0,1,0,0,1

1,1,↑

┇

MOVA,@Ai

（Ai）→IDB→IR2

RR,A,B,CL

0,I1,I0,↑

（IR1,IR2）→IAB→OAB

（ACT）+（Ai）→A

（M）→ODB→IDB→ALU→A

OI,B1

RC,B2,B3,CT,OT

Cn,M,S3,S2,S1,S0

X0,X1,CA

0,0

0,0,0,1,0

1,1,1,0,1,0

1,1,↑

┇

LDAaddr

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→IR2

（PC）+1→PC

PCO,B1

RC,B2,B3,CL

P+1,CK

0,0

0,0,0,↑

1,↓

（IR1,IR2）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→ALU→A

OI,B1

RC,B2,B3,CT,OT

Cn,M,S3,S2,S1,S0

X0,X1,CA

0,0

0,0,0,1,0

1,1,1,0,1,0

1,1,↑

┇

注*：

（MD）→MPC表示根据指令操作码得到初始微地址码（MDi），并送微地址计数器（MPC）。

4．设计微操作控制信号及其实现方法

⑴微指令编码格式

微指令长24位，采用直接控制法。

⑵微指令信号的有效性

对于电平有效的微操作控制信号通常可由微指令码直接实现。

如ALU的操作控制信号Cn、M、S3、S2、S1、S0可由某6位微指令码直接控制。

对于脉冲型微操作控制信号，通常需外加门电路实现。

即由某一位微码和脉冲信号Φ通过与非门实现。

⑶器件的操作条件

有些器件执行某种操作需要多个微操作控制信号同时有效。

对此，通常可将其中某个（某些）信号事先固定准备好。

例如：

指令寄存器IR1（74377）的接数有GI和CI两个控制信号。

当GI为“0”且CI电平正跳时IR1接数。

我们可把CI固定接Φ（后沿有效），而GI由某位微码控制产生。

有些器件执行某种操作只需一个电平跳变信号，通常需外接门电路加以实现。

5．设计微指令格式

下表中列出实验计算机24位长的微指令格式。

决定了微指令各码位的含义和有效性。

表中带有’的信号表示此信号尚需用硬件作后续处理之后才能产生有效的信号。

位（Mi）

信号

CL’

CP’

╱

有效电平

位（Mi）

信号

LP’

P+1

MLD

WC’

RC’

WR’

有效电平

由于PCO和P+1信号总是互非的，故在微指令中只选用的P+1信号，PCO信号通过硬件作处理后得到。

6．确定微程序控制方式

1初始微地址形成

最简易的方法是以指令操作码为核心扩展成11位的微程序地址，即MD10～MD0，这种方法称为“按操作码散转”。

每条指令对应一段微程序，每段微程序可最多由4条微指令组成。

按下图所示的方法可形成各微程序的首地址，指令操作码的散转地址如下表所列。

MD10～MD6MD5MD4MD3MD2MD1MD0

└──┘││││└─┘

↑↑↑↑↑↑

“0”I7I6I5I2“1”

指令操作码

I7I6I5I2

微程序首址

MD10～MD0

0000

003H

0001

007H

0010

00BH

0011

00FH

0100

013H

0101

017H

0110

01BH

0111

01FH

1000

023H

1001

027H

1010

02BH

1011

02FH

1100

033H

1101

037H

1110

03BH

1111

03FH

2后继微地址的形成

采用增量方式，每段微程序执行过程中MPC+1，指向下一条微指令地址。

7．编写各指令的微程序

根据指令流程和微指令格式逐条填写微指令的各位。

为减少填写错误，可先把本条微指令用到的微码（微操作控制信号）按预定的有效性填入，检查无误后，再对本条微指令用不到的微码（微操作控制信号）填入与预定的有效性相反的代码，核对无误后，最后将24位微码缩写成6位十六进制微指令。

下表列出部分指令的微程序。

指令助记符

微地址

微指令码（十六进制）

取指微指令

000H

001H

002H

008B6A

╱

ADDA,Ai

003H

004H

005H

006H

0082BE

9BABBC

008B6A

╱

┇

MOVA,@Ai

00BH

00CH

00DH

00EH

00CBBD

AF0BBA

008B6A

╱

┇

LDAaddr

023H

024H

025H

026H

00CBFA

AF0BBA

008B6A

╱

┇

可以利用与实验仪配套的系统软件在PC机上编写全部微程序，然后装入实验仪的控存中执行。

七．预习要求

1．按给出的指令表要求设计实验计算机。

2．写出全部指令的微操作时间表。

3．编写微指令定义文件（BIT.DEF）。

4．编写全部指令的微程序，并缩写成十六进制形式（MOP.MID）。

5．根据指令格式编写指令系统汇编码与机器指令对照表文件（INS.DEF）。

6．编写简单的调试程序。

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