组成原理课程设计(复杂模型机设计实验)

复杂模型机设计实验
一、实验目的
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。

二、实验设备
TDN－CM＋计算机组成原理教学实验系统。

三、数据格式及指令系统
1.数据格式
模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：
2.指令格式
模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。

1)算术逻辑指令
设计7条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：
其中，OP－CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：
7条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表
2)访存指令及转移指令
模型机设计2条访存指令――存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令――无条件转移（JMP）和结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：
其中，OP－CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。

D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：
本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器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：
其中，addr＝01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr＝10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码块作为输出设备。

4)停机指令
指令格式如下：
HALT指令用于实现停机操作。

3.指令系统
本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条，表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表1
四、总体设计
本模型机的数据通路框图如图所示。

图1：数据通路图
根据机器指令系统的要求，设计微程序流程图及确定微地址如下：
图2：微程序流程图
根据流程图，确定如下微程序：
微程序：
$M00018108 $M2205DB81 $M0101ED82 $M230180E4 $M0200C050 $M24018001 $M0300A004 $M2595AAA0 $M0400E0A0 $M2600A027 $M0500E006 $M2701BC28 $M0600A007 $M2895EA29 $M0700E0A0 $M2995AAA0 $M0801ED8A $M2A01B42B $M0901ED8C $M2B959B41 $M0A00A03B $M2C01A42D $M0B018001 $M2D65AB6E $M0C00203C $M2E0D9A01 $M0D00A00E $M2F01AA30 $M0E01B60F $M300D8171 $M0F95EA25 $M31959B41 $M1001ED83 $M32019A01 $M1101ED85 $M3301B435 $M1201ED8D $M3405DB81 $M1301EDA6 $M35B99B41 $M14001001 $M360D9A01 $M15030401 $M37298838 $M16018016 $M38019801 $M173D9A01 $M3919883A
$M18019201 $M3A019801
$M1901A22A $M3B070A08
$M1A01B22C $M3C068A09
$M1B01A232
$M1C01A233
$M1D01A236
$M1E318237
$M1F318239
$M20009001
$M21028401
验证程序：
助记符机器码
IN 01, R0 $P0044
IN 01, R2 $P0146
SBC R2,R0 $P02A8
MOV R0, R1 $P0381
RLC R1, R1 $P04F5
OUT R1,R1 $P0559
HALT $P0660
指令功能：
在实验板的数据开关手动输入一个数存到R0寄存器里，在输入另一个数到R2寄存器里，然后用R2-R0存到R0寄存器里，接着把R0里的数转存到R1寄存器，然后再把R1的数左移一位存到R1，接着在数码管显示输出当前R1寄存器里的数，最后停止。

五、实验步骤
1.按图连接实验线路
2.写入程序
1)手动写入
A.按如下步骤讲微代码写入微控器中的存储器2816中：
①将编程开关置为PROM（编程）状态。

②将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”
置为“RUN”状态。

③用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。

④在MK24－MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，
开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。

⑤启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816
的相应地址对应的单元中。

⑥重复①－⑤步骤，将所有的微代码写入2816中。

B.按如下步骤校验微代码
①将编程开关置为READ（校验）状态。

②将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”
置为“RUN”状态。

③用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。

④启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。

观察显
示灯MD24－MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。

如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行③）即可。

C.按如下步骤使用KWE微程序进行机器指令程序的装入。

①使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”
状态。

②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清
零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“0 1”，并按动一次START，微地址显示灯显示“010001”。

③再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内
容置为要写入的机器指令。

再按动两次START键后，即完成该条指令的写入，并且微地址显示灯显示“010001”。

（注：由KWE的流程图可知，该流程每执行一次，将向PC寄存器所指向的存储器单元中写入一个字节的数据，并且将PC加1。

）
④如果还需要向存储器中输入数据，则需重复重新执行③。

D.按如下步骤使用KRD微程序进行机器指令程序的检查。

①使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”
状态。

②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清
零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“0 0”，并按动一次启
动开关START，微地址显示灯显示“010000”。

③再按动一次START，微地址灯显示“010010”，第三次按动STRAT，
微地址灯显示为“010111”，再按动STRAT后此时输出单元的数
码管显示为PC寄存器所指单元的内容。

（注：由KRD的流程图可
知，该流程每执行一次，将显示PC寄存器所指向的存储器单元中
一个字节的数据，并且将PC加1。

）
④如果还需要检查存储器中其他单元的数据，则需重复重新执行③。

2)联机读/写程序
将微代码写入文本文件中，通过联机软件载入实验系统。

3.运行程序
1)本机运行
A.单步运行程序
①使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为
“RUN”状态。

②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清
零。

③单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微
指令。

对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否与流程一致。

④当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算
结果一致。

B.连续运行程序
①使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“EXEC”状态，STOP为
“RUN”状态。

②拨动总清开关CLR（0→1→0），微地址寄存器清零，程序计数器清
零。

③按动START键，系统将连续运行程序，直至将STOP拨至“STOP”
状态。

④当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算
结果一致。

2)联机运行
联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，运行即可。

图3：实验连接图
六、实验总结：
这次课程设计中，基于前几次实验中，对计算机的大致组成以及运行原理有了初步的了解，并且对实验板也比较熟悉了，所以按照实验连接图连线也比较上手了，经过那么多次实验，觉得
连线最重要的就是认真，如果一开小差就会出错，每连完一条线之后，都要检查一遍，看是否连错，这告诉我们，做每一件事都要认认真真的完成，容不得一丝马虎，否则只会落得个事倍功半的效果。

这次课程设计最重要的就是编写程序了，要想编写程序首次要对程序了解，知道每个助记符对应的机器码是什么意思，对应的二进制的每四位代表什么。

在对程序理解的过程中,刚开始不知道程序的十六进制是如何通过助记符转换过来的，经过对指令格式的剖析才知道没个助记符对应的二进制，然后对刚编好的程序进行运行，通过观察CPU一般都是先取机器指令，然后编译，送往寄存器，然后再去指令，再编译，一直这样下去，直到停止为止，此次课程设计最大的收获就是，通过观察大致了解了CPU 的运行方式，并且都指令也有了较大的了解，还懂得了合作和请教才是完成任务的最佳方法。