实验六复杂模型机的设计与实现

实验五 复杂模型机的设计与实现

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

Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。

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数据，且字长为8位，其格式如下：

其中第72. 指令格式

模型机设计四大类指令共16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。

⑴ 算术逻辑指令

设计9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：

其中R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH

9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。 ⑵ 访问指令及转移指令

模型机设计2条访问指令，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：

其中“0

0 M ”为源码段，2OP-CODE 为目的码段（LDA 、STA 指令使用）。D 为十六位地址段（低八在前，高八随后），M

⑶ I/O 指令

输入（IN）和输出（OUT

⑷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9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

图5-1复杂模型机微程序流程图

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，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。

源编码目的编码

四、实验方法

㈠键盘操作

⑴首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控／在线”。 在待命状态0下按【减址】键，LCD 显示器显示工作模式选项：

按【增址】键，将光标移到“MUD ”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“y ”（搭接）或“n ”（在线），按【减址】键确定：

接着系统询问用户是否使用扩展I/O 方式，按【增址】键选择“y ”（扩展I/O ）或“n ”（微控制器关联），按【减址】键确定：

确定设置后，系统返回待命状态0。

⑵机器程序与对应的微控制程序的写入：

在待令状态下，键入数字键“4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。

⑶运行程序

①单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”微周期它的次序循环。

Dais-CMX16+ ’mud

设置完毕，返回待命状态

Dais-CMX16+ ’mud

lst y/n I/O /n

Dais-CMX16+ ’mud lst y/nI/O y/

是，扩展I/O 方式

否，选择微控制器关联方式

Dais-CMX16+ ’mud

lst /n I/O y/n

Dais-CMX16+ ’mud lst y/I/O y/n

是，选择搭接方式，须连线

否，选择在线方式，零连线

Dais-CMX16+ ’XXX KLD PLD

选择手动模式

②微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。

③宏运行（指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察PC地址是否和流程一致。

④程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。

㈡联机运行

双击桌面“Dais-CMX 集成开发环境”图标进入联机模式

在联机状态下，首先应打开mxj4.asm（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载，如源程序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：

●单节拍：单击菜单“运行→单拍运行微指令”命令或单击工具栏“单拍”按钮，以单节拍

方式按T1~T4顺序逐步运行微程序。

●单周期：单击菜单“运行→单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，以单周

期（T1~T4为一个机器周期）方式逐步运行微程序。

应用级调试

在机器指令的层面进行逐步调试，面向应用程序，帮助用户了解机器指令的执行结果。

●单步机器指令：单击菜单“运行→单步运行机器指令”命令或单击工具栏“单步”按钮，

以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跟踪进入。

●宏单步机器指令：单击菜单“运行→宏单步运行机器指令”命令或单击工具栏“宏单步”

按钮，以逐步指令方式执行机器程序，遇CALL调用时跨越执行。

全速运行

单击菜单“运行→全速运行”命令或单击工具栏“运行”按钮，忽略实现细节，以全速方式运行机器指令、微指令，用来验证应用程序的运行结果。

暂停与复位

暂停：当实验系统进入全速运行、自动单步等状态时，可随时单击菜单“运行→暂停”命令或单击工具栏“暂停”按钮，使实验系统暂停当前运行的程序，并展现暂停后的模型机现场，帮助用户观察各部件的状态。

复位：在待命状态下，单击菜单“运行→复位”命令或单击工具栏“复位”按钮，可对模型机进行复位操作，初始化所有寄存器和标志位。注：复位操作不会破坏程序存储器、微程序存储器的内容。