CPU与简单模型机设计实验讲述.docxVIP

实验项目CPU 与简单模型机设计实验实验时间2015年11月7日实验目的(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。实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套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。 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。如图5-1-2所示。 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）： 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 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P1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P1 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。 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 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。 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 置为‘停止’档，KK3 置为‘编程’档，KK4 置为‘控 存’档，KK5 置为‘置数’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 置为‘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。 (2) 手动校验微程序 ① 将时序与操作台单元的开关KK1 置为‘停止’档，KK3 置为‘校验’档，KK4 置为‘控 存’档，KK5 置为‘置数’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 置为‘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——M