计算机组成原理-指令扩展实验解析

《计算机组成原理A》课程设计性实验报告

开课实验室：计算机组成原理实验室年月日

实验题目指令扩展实验

一、实验目的

深入了解教学计算机微程序控制器的组成和设计技术，包括Am2910器件的功能与具体用法，教学计算机的总体组成和部件之间的连接方法，总之应该深入理解控制器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。

二、设备与环境

TEC-XP+教学机，微机(装有Windows XP、ISPLEVER、ispVM System等软件)。

三、实验内容

在现有的基本指令系统上，扩展2条指令，分别是：

指令一：NXOR DR,SR ，其功能是（DR⊕SR） DR 。

指令二: SWRM DR,[SR] ,其功能是DR与[SR]的值互换，实现寄存器与内存单元（通过间接寻址方式）之间的数据传送。

四、实验步骤

1、CPU模型

2、微程序控制器组成原理框图

3、机器指令与微指令关系

① PC:存放下一条机器指令的地址（向指令存储器提供指令地

址）。

②指令存储器：（存放所有机器指令），经地址译码，选中相

应存储单元，取出相应机器指令，送入指令寄存器IR。

③指令寄存器IR：存放正在执行的机器指令。机器指令包含

两个字段：操作码（OP）、地址码。

④由操作码（OP）映射得到微地址（译码过程），即机器指令

所对应的微程序入口地址，存入微地址寄存器。

⑤控制存储器存放所有的微程序，经地址译码读出一条微指

令。

⑥由控制存储器读出的一条微指令存入微指令寄存器。

4、教学机TEC-XP的控制器提供的控制信号（微指令格式）

① B0-B5字段：DC1:CPU内部总线数据来源选择控制，详

见表1-1；DC2:专用寄存器接收控制，详见表1-2。

② B6-B11字段：SSH SCI:最低进位输入、移位输入控制

信号，详见表2-1；SST：状态寄存器控制信号，详见表

2-2。

③ B12-B19字段：A口：0000表示不使用寄存器，1000

表示取IR中的SR，0100表示R4(SP),0101表示R5（PC）；B口：0000表示不使用寄存器，1000表示取IR中的DR，0100表示R4(SP),0101表示R5（PC）。

表1-1 DC1-CPU 内部总线数据来源选择 表1-2 DC2-专用寄存器接收控制

表2-1 状态寄存器 表

2-2 最低进位输入、移位输入控制信号

④ B20-B28字段：I5-I3，I8-I6,I2-I0，为Am2901的9位控制码，详见下表3-1。

⑤ B29-B31字段：/MIO REQ /WE 对内存和I/O 接口读写控制：

/MIO （0：有内存或串口的读写，1：无） REQ （0：读写内存， 1：读写串行口） /WE （0：写操作， 1:读操作）

DC1

编码 译码

信号

操作说明

000 /SWTOIB 送开关内容到内部总线 001 /RTOIB 送ALU 输出到内部总线 010 /ETOIB 送IR 低位字内容到内部总线 011 /FTOIB 送程序状态字到内部总线 100 / 16位机不用 101 / 16位机不用

110 /INTV 送中断向量到内部总线 111

NC

无操作

DC1

编码 译码

信号 操作说明

000 NC 无操作

001 /GIR 指令寄存器接收 010 / 16位机不用 011 /GAR 地址寄存器接收 100 /INTR 恢复中断优先级 101 /INTN 接收中断优先级 110 /EI 用于开中断指令 111

/DI

用于关中断指令

SSH SCI Cin/Shift 000 Cin = 0 001 Cin = 1 010 Cin = C 100 逻辑移位 101

循环移位

SST C Z V S 000 C Z

V

S 001 Cy

ZR OV F15

010 内部总线 011 0 Z V S 100 1 Z V S 101 RAM0 Z

V S 110 RAM15 Z V S 111

Q0

Z

V

S

I8-I6:运算结果处理

I5-I3: 运算功能

I2-I0:数据来源

编码 通用寄存器 Q 寄存器 Y 的输出 R S 000 F →Q F R+S A Q 001 F S-R A B 010 F →B A R-S 0 Q 011 F →B F R ∨S 0 B 100 F/2→B Q/2→Q F R ∧S 0 A 101 F/2→B F /R ∧S D A 110 F*2→B Q*2→Q F R ∀S D Q 111

F*2→B

F

/(R ∀S)

D

MRW 编码 功能 000 写内存 001 读内存 010 写串口 011 读串口

1XX 无内存和串口的读写操作

⑥ B32-B39字段： 顺序控制字段，CI3-CI0,SCC3-0 = 0010 0000（20H ）时，表示MAPROM 映射入口地址；CI3-CI0,SCC3-0 = 1110 0000（E0H ）时，表示顺序执行；当CI3-CI0 = 0011（3H ）时SCC3-0字段有效，此时SCC 编码及功能详见下表4-1。

⑦ B40-B47字段： 微下地址字段 5、扩展的2条机器指令的格式及功能

扩展的2条机器指令的格式、功能、寻址方式、操作码编码、微程序步数、微程序入口地址如下表所示：

6、指令所对应的微程序

每条机器指令对应的微程序、以及每步（微指令）的功能及各字段值的意义： （1）如下表所示，为两条指令所对应的微程序：

（2）扩展的两条机器指令的功能及各字段的意义如下：

SCC 编码 (CI3-CI0 = 0011 时有效) 功能

(下面条件满足时，使/CC = 0) 0000 必转移

0010 有中断，INT=0时转移

0100 C 、Z 测试，JRC 、JRNC 、JRZ 、JRNZ 指令 微指令转移条件不成立时，转移 0101 S 测试，JRS 、JRNS 指令

微指令转移条件不成立时，转移 0110 IR 10 = 0时（IN ），转移 0111

IR 8 = 1时（PUSH 、POP ），转移

序号 格式 功能

寻址方式 编码 微程序

步数

微程序 入口地址 1 NXOR DR,SR

DR 与SR 的值异或送DR

寄存器直接寻址 22H 1 80 2

SWRM DR,[SR] DR 与 [SR]

的值互换

DR 为寄存器直接寻

址,[SR]为寄存器间接寻址

E9H

4

8A

序号 指令 入口 地址 下址 CI3-0 SCC3-0 MRW I2-0 I8-6 I5-3 B 口 A 口 SST SSHSCI DC2

DC1 1

NXOR DR,SR

80

30 30 4,1 3,7 8,8 1,0 0,0 2 SWRM DR ，[SR] 8A

00 E0 4,3 0,0 8,0 0,0 0,0 00 E0 4,4 1,0 0,8 0,0 3,0 00 E0 1,7 3,0 8,0 0,0 0,0 30

30

0,2

1,0

0,0

0,0

0,1