模型机实验报告.docx
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模型机实验报告
哈尔滨工程大学
实验报告
实验名称：
复杂模型机设计与实现
班级：
学号：
姓名：
实验时间：
成绩：
指导教师：
程旭辉附小晶
实验室名称：
计算机专业实验中心
一、实验名称：
复杂模型机的设计与实现
二、实验目的：
1．综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。
2．设计指令系统。
3．编写简单程序，在所设计的复杂模型计算机上调试运行。
三、实验设备：
GW-48CPP系列计算机组成原理实验系统。
四、实验原理：
1．数据格式
模型机采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，其格式如下：
7
6543210
符号
尾数
其中第7位为符号位，数值表示范围是：
-1≤1。
2．指令格式
所设计的指令分为四大类共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问、转移指令和停机指令。
（1）算术逻辑指令
设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，采用寄存器直接寻址方式，其格式如下：
7654
32
10
OP-CODE
rs
rd
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
选定的寄存器
00
01
10
R0
R1
R2
（2）访问指令及转移指令
访问指令有2条，即存数（STA）、取数（LDA）；2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：
76
54
32
10
00
M
OP-CODE
rd
D
其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（用于LDA、STA指令）。
D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：
寻址模式M
有效地址E
说明
00
01
10
11
E=D
E=（D）
E=（RI）+D
E=（PC）+D
直接寻址
间接寻址
RI变址寻址
相对寻址
在本模型机中规定变址寄存器RI为寄存器R2。
（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：
7654
32
10
OP-CODE
addr
rd
其中，addr=01时选中“INPUTDEVICE”中的键盘输入设备，addr=10时，选中“OUTPUTDEVICE”中的LCD点阵液晶屏作为输出设备。
（4）停机指令
指令格式如下：
7654
32
10
OP-CODE
00
00
3．指令系统
共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入/输出指令2条，其他指令1条。
各条指令的格式、汇编符号、功能如表7-1所示。
助记符号
指令格式
功能
CLRrd
MOVrs，rd
ADCrs，rd
SBCrs，rd
INCrd
ANDrs，rd
COMrd
RRCrs，rd
RLCrs，rd
0111
00
rd
0→rd
1000
rs
rd
rs→rd
1001
rs
rd
rs+rd+cy→rd
1010
rs
rd
rs–rd–cy→rd
1011
rd
rd+1→rd
1100
rd
rs∧rd→rd
1101
rd
→rd
1110
rd
1111
rd
LDAM，D，rd
STAM，D，rd
JMPM，D
BZCM，D
00
M
00
rd
D
E→rs
00
M
01
rd
D
rd→E
00
M
10
rd
D
E→PC
00
M
11
rd
D
当CY=1或Z=1时，
E→PC
INaddr，rd
OUTaddr，rd
0100
01
rd
addr→rd
0101
10
rd
rd→addr
HALT
0110
00
00
停机
本模型机的数据通路框图如图7-1。
根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图7-2。
图7-2微程序流程图
五、实验内容：
按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。
微代码定义如表7-1所示。
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
A9
A8
A
B
C
uA5
uA4
uA3
uA2
uA1
uA0
微程序
六、实验框图设计：
模型机设计主要是包括：
控制器、存储器、运算器、输入、输出。
主要的设计是SE-5是根据FC,FZ,T4,P[4..1],SWA,SWB,I[7..2]来控制输出的SE[1..6]，控制地址的跳转。
当SE输出0时Q输出1，当SE输出1时，Q输出D；
SE-5：
（SE6-1）：
在波形图中实现跳转的时候，会出现如图：
刚开始对此变化不理解，自习观察SE6-1时，SE[6..1]作为控制端，SE为1时Q输出D，SE为0时Q输出1，达到跳转的功能，但是还隐含一个细节是：
在SE有0的时候，SE不用T2的时钟触发，地址会直接会发生跳转，所以会出现如图微地址由20直接跳到31。
1和3：
移位寄存器：
SHEFT和控制移位器的进位：
说明：
移位寄存器的M位有M[20]来控制，S[1..0]由M[22..21]来控制，控制进位由SHE_C0来控制，假设上次的移位器有进位，那么上次的SHEFT_CN输出1，在控制移位器进位的器件上，当需要进位时，即：
AR=1，（通过观察微指令开看AR进位时才选中）那么会有进位，此时在下一次带进位的移位时，SHE_C0=1;
2.控制ALU进位的器件：
说明：
在此器件中，AR为控制端，上次的进位溢出位FC连到D0上M[19]与Q非的或，连接到ALU_CN，当M[19]=1时表示不带进位的运算，那么ALU_CN的结果肯定是1，在下次运算时肯定是不带进位的运算。
当M[19]=0，时，表示运算器运算是带进位的运算，若上次的运算FC=1，若选中AR则，表示本次的运算时带进位的运算，则在T2周期时，Q=1，那么ALU_CN的输出是0，将结果输入到ALU的进位控制端，控制本次的进位运算。
4．通过编程控制可编码寄存器的选择：
.
内部结构：
说明：
这是通过两个2-4译码器组合而成的选择器，根据decoder_b产生的控制信号，并且在编程时编写的
I0——I3指令来控制，RS,RD,RI.寄存器的选择。
为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：
R0RS;
R1RD;R2RI;
七、程序表设计：
实验程序如下：
根据框图的设计以及书中的指令系统功能表，在编码的时候考虑到的情况主要是用指令指定哪个寄存器，以及在实现LDA，STA，JMP，BZC，是选用的哪种寻址方式，为了全面的测试框图实现功能的正确性，在设计程序流程的时候所有的功能，以及所有的寻址方式都用到了，下面就是我设计的实验程序：
地址
数据
16进制表示
助记符
00
01000001
41
IN：
SW->RD（27）
01
01000000
40
IN:
SW->RS（26）
02
A1
SBC:
（RD-RS）=>RD
03
01011001
59
OUT:
RD=>LED
04
91
ADC:
（RD+RS）=>RD
05
01011001
59
OUT:
RD=>LED
06
B1
INC:
RD+1=>RD
07
01011001
59
OUT:
RD=>LED
08
C1
AND:
（RD）AND（RS）=>RD
09
01011001
59
OUT:
RD=>LED
0A
D1
COM:
RD取反=>RD
0B
01011001
59
OUT:
RD=>LED
0C
E1
RRC:
将RS中的数循环左移
0D
01011001
59
OUT:
RD=>LED
0E
F1
RLC:
将RS中的数循环右移
0F
01011001
59
OUT:
RD=>LED
10
81
MOV:
RS->RD
11
01011001
59
OUT:
RD=>LED
12
01000010
42
IN:
SW=>RI（存入的数：
10H）
13
00000001
01
LDA:
RAM=>RD
14
00011110
1E
把1E里的数送到RD中
15
00010101
15
STA:
RD=>RAM
16
00011111
1F
将RD中的数存到1F的地址中去
17
00101010
2A
JMP:
18
00010001
11
在变址寻址中用到（10H+11H）
19
00111101
3D
BZC:
1A
00000011
03
没有用到
1B
01100000
60
HALT:
停机指令
1C
00000000
00
没有用到
1D
00000000
00
没有用到
1E
00001111
0F
在执行LDA是会用到0F
1F
00001111
0F
在执行STA时会存到此地址
20
00000000
00
在执行LDA存到此位置
21
01011001
OUT
读出RD中的数
22
00101010
2A
JMP：
跳回到断点位置
23
00001001
09
执行JMP时用到此数
将设计好的程序表写入到内存中，然后读内存，然后执行程序。
七、实验过程分析：
模型机过程分析：
1.首先在ROM中已经存入了微代码，这里，在实验中发现35是错误的，正确的应该是：
01A426，这是通过
实验验证的。
在SE-5的控制下，产生SE信号，控制微代码的后六位是否发生改变，从而判定是否发生跳
转，产生的微地址送到uaddr中，指示到下一条的指令。
2.每一条微代码，通过decodera，decoderb，decoderc，decoder2-4产生相应的控制信号，在观察了四个器
件的的内部结构后，得出decodera选中的信号是输出1，得出decoderb选中的信号是输出0，得出
decoderc选中的信号是输出1，decoder2-4输出0，这样在结合74148优先权编码器后才能完整的控制总
线以及相应的输出。
3.reg_3是可编程寄存器，利用指令可以选用不同的寄存器，在此模型机自己设计了一个DECODERREG部件
通过，RD_B,RD_B,RD_B,以及I3-I0来控制选用相应的寄存器。
为了方便起见，在实验过程中用一一对应的实现：
R0RS;R1RD;R2RI;
4.在微程序流程图中在进行相对寻址时框图47是错误的应该是：
PCBUS,BUSDR2;
波形图分析：
1.开始执行程序，执行指令是40，执行的是IN指令，将27存入了指定的寄存器RD。
说明：
为编程方便用I0，I1，I2，I3，来控制选取：
2.此时指令是：
40，将26存入RS：
3.指令：
A1：
（RD-RS）=27-26=01，将结果存入RD中。
4.将RD中的结果输出到led中显示：
此时的指令是（OUT：
59）。
5.执行ADC（91）指令：
（ＲＳ＋ＲＤ）＝（２６＋０１）＝２７存入ＲＤ中：
６.执行OUT指令，将ＲＤ中的结果输出：
７．执行INC指令，并将加１的结果输出到ｌｅｄ中：
８.执行AND（C1）指令，（RD）AND（RS）=（28AND26）=20,然后执行OUT（59）指令，并将结果输出到led中显示：
9.执行COM取反指令，RD中的值是20取反后为DF，并执行OUT指令后在led中显示：
10.执行RRC指令，RS中值是26循环右移后的结果是13，并执行OUT指令，在led中显示：
11.执行RLC指令，将RS中的26循环左移后的结果是4C并将结果在led中显示：
12.执行MOV指令（RS->RD）=26,并执行OUT指令，在led中显示：
13.先执行IN指令（01000010）,将10存入到指定的RI寄存器中，然后执行LDA指令，将指令中的0F存入到RD中。
14.通过间接寻址方式执行STA（15）存数指令，将RD中的0F存入到RAM中:
15.通过变址寻址方式执行JMP指令，跳到21执行OUT指令，读出LDA中RD中的数：
16.执行OUT指令，将RD中的数读出来，然后执行JMP指令跳回到断点地址继续执行。
17.通过相对寻址方式，执行BZC指令：
在PC值为1A时将PC送到AR，此时RAM里的值是03H，并送入DR1，在执行完微地址为23后，PC的值变为1B，将1BH送入DR2中，03H与1BH相加，相加后FC与FZ的值都不为1，所以在进行P（3）测试后跳到了44.
八、实验结果中遇到的问题：
实验结果中遇到的问题：
在刚开始的时候，在看流程图时，在刚开始的时候，明白微地址的跳转是如何实现的，但是每个框图的具体实现却搞得不是很明白，在看明白了decodea,decodeb,decodec,和74148以及reg_3的内部结构，才明白了具体的电路，以及最终的信号输出的正负，如何控制总线的选择，在不同的时钟周期，实现不同的功能。
在复杂的模型机设计的时候，对于可编码寄存器的选择，以及ALU以及SHEFT的进位控制端的控制信号的实现。
在设计程序表的时候花的时间比较多，对于实现JMP跳转的时候，对于它的跳转煞费苦心，要实现原来书本中提到的断点跳转功能。
九、实验体会：
通过模型机的实验，对于计算机五大部件的协同工作，以及微命令的产生和控制信号的控制的具体实现，在实验中遇到困难和问题时与队友惊醒商量，互相提出方案，设计部件，实现要得到的功能。
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